GERAÇÃODEENERGIASUSTENTÁVEL

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GERAÇÃODEENERGIASUSTENTÁVEL

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B153g

Balestieri,JoséAntônioPerrellaGeraçãodeenergiasustentável/JoséAntônioPerrellaBalestieri.SãoPaulo:EditoraUnesp,2014.

Formato:ePubRequisitosdosistema:AdobeDigitalEditionsMododeacesso:WorldWideWebISBN978-85-68334-12-6(recursoeletrônico)

1.Energiaelétrica–Brasil.2.Serviçosdeeletricidade–Brasil.3.Polí ticaenergética–Brasil.4.Livroseletrônicos.I.Tí tulo.

14-17015 CDD:333.79320981 CDU:620.9(81)

EstelivroépublicadopeloprojetoEdiçãodeTextosdeDocentesePós-GraduadosdaUNESP–Pró-ReitoriadePós-GraduaçãodaUNESP(PROPG)/FundaçãoEditoradaUnesp(FEU)

Editoraafiliada:

Dedicoestetrabalhoaosquemeprecederam–meuspais,avós,tioseprofessores–,quecomseusvalorespessoaiseexemplosdevidame fazemacadadiaperceberoquãonecessárioéolharparaalémdonossopequenomundo.

EstetrabalhopretendetambémprestarumasingelahomenagemadoisFranciscos–osantodeAssis,porsuaatitudesustentávelemproldaVidaedaNatureza,eaoseuxará,ocompositorcarioca, com sua particular visão de sustentabilidade ao preconizar, em Futuros amantes, a“reciclagemdoamor”...

“Nãoseafobe,não,QuenadaéprajáAmoresserãosempreamáveisFuturosamantes,quiçá,Seamarão,semsaber,ComoamorqueumdiaEudeixeipravocê”

AGRADECIMENTOS

Agradecernominandoaosquemeauxiliaramnessecaminharcertamentemeexporiaaoerrodeesqueceralguémtãooumais importantedoqueosqueoforam.Muitosestiveramaomeuladoaolongodessajornada,emperíodoquecompreendeutantavida,numajornadamaislongaedensadoque poderia em algummomento conceber – agradeço aos os quemantiveram próximos pelo querepresentaramparamim:apalavraamiga,ocompartilhamentodesingelosmomentosdavida,mastambémaadmoestação,o embatede ideias– todosme forameme sãocaros, eos tenhoemmeucoração.Deus,minhafamíliaetodosquemequerembemestãoaquirepresentados.

AgradeçoàUniversidadeEstadualPaulista “JuliodeMesquitaFilho” (Unesp)asoportunidadesque me ofereceu ao longo da carreira – foi por estar fincado nesse solo de qualidade que pudecrescer profissionalmente e como pessoa. Em particular, agradeço à Faculdade de Engenharia deGuaratinguetá, na pessoa de seus dirigentes, servidores e alunos, e muito particularmente aoDepartamentodeEnergia,quemeacolhedeformagenerosahámaisdeduasdécadas.

Não posso deixar de agradecer à Fundação de Auxílio à Pesquisa do Estado de São Paulo(Fapesp), ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), àCoordenaçãodeAperfeiçoamentodePessoaldeNívelSuperior(Capes)eàPetróleoBrasileiroS.A.(Petrobras)queviabilizaram,por seu apoio aosprojetosdepesquisa, odesenvolvimentode tantasatividadeseaconcretizaçãodestelivro.

Queroviverestavidacomsabedoria,humildade,honestidade,paciência,desapegoerespeitoaopróximo.Querosemearbonsexemploseesperança,ealegrar-mepeloseufloresceremcadaser.Querodeixarestavidademodoserenoelibertodeminhasmisérias.

(JoséAntônioPerrellaBalestieri,“Minhabússolapessoal”,2001)

PREFÁCIO

EmPianoBar,HumbertoGessinger,entãovocalistadabandaEngenheirosdoHawaii,vaticinouque “toda vez que falta luz, toda vez que algo nos falta, o invisível nos salta aos olhos” – comoconsequência, essa nova percepção demundo não deixará de ficar cristalizada na retina de quemvivencioutalexperiência,ecaberáacadaumdeliberarportê-laounãocomonovoparadigmaqueiránortearsuavidaesuasdecisões.

De igualmodo, o conceito de sustentabilidade, em todos os aspectos da vida e em especial nageraçãodeenergia,assumeseupapelnatransformaçãodavidanoplaneta,emboracreiaqueaindamuitotempopassaráatéqueahumanidade,comoZecaBaleiroemMuzak,assumaquetem“nasmãosumcoraçãomaiorqueomundo,omundoémeu,omundoéteu,detodomundo”...Detodomodo,sepor tantos anos a queima de combustíveis fósseis foi a escolha “natural” nas decisões relativas àgeração de energia, até mesmo por representar a solução de menor impacto econômico e/oufinanceiro,aospoucosahumanidadesesensibilizadequeháoutrasquestõestãooumaisimportantesdeseremconsideradas,comoofrágilequilíbrioentreamanutençãodemúltiplasformasdevidadoplanetaeascondiçõesdignasdeexistênciadecadaserviventenestemesmoplaneta.

O presente livro é produto de diversas pesquisas realizadas emmomentos distintos de minhacarreira – no pós-doutorado realizado no Programa de Pós-Graduação do Departamento deEngenharia Mecânica da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) com auxílio daCoordenação deAperfeiçoamento de Pessoal deNível Superior (Capes), em 2001; em projeto deauxílio regular da Fundação deAuxílio à Pesquisa doEstado deSãoPaulo (Fapesp) entre 2006 e2008;emprojetodepesquisadebolsadeprodutividadedoConselhoNacionaldeDesenvolvimentoCientífico e Tecnológico (CNPq) entre 2006 e 2009. Menciono também diversas atividades depesquisarealizadascomaPetrobras,envolvendocolegasdaUniversidadeEstadualPaulista“JúliodeMesquitaFilho”(Unesp)edaUFSC–emboraopresentetextonãoregistreinformaçõesreportadasàquelaempresa,oaspectopráticodasatividadesampliouapercepçãodeoportunidadesnaáreadepesquisaemenergia.

Cada umadessas atividades contribuiu, com suas particularidades, para que diversos planos depesquisaemníveldedoutorado,mestrado, iniciaçõescientíficase trabalhosdeconclusãodecursofossemdesenvolvidosporestudantes, algunsde formaconcomitanteaosprojetos,outrosdemodoconsequente.Noplanopessoal,todasessaspesquisascontribuíramdemodosignificativoparagalgarao cargo de professor titular no Departamento de Energia da Faculdade de Engenharia deGuaratinguetá,Unesp,emfevereirode2011.

Embora o Brasil seja um país com forte presença de energia renovável em sua estrutura degeraçãoelétrica,comespecialdestaqueparaageraçãohidrelétrica,nãoseconcebecomorazoávelque sejam relegados estudos prospectivos de alternativas tecnológicas de base termelétrica comreduzidos níveis de emissão atmosférica. A apresentação do conceito de cogeração (geraçãocombinada de duas oumais formas de energia a partir de umamesma fonte combustível) ganhadestaquepelaracionalidadeenergéticaquerepresenta,sendoobjetodeanálisenopresentetexto.

O objetivo deste trabalho é apresentar algumas fontes combustíveis alternativas – relativas aoaproveitamento de biomassas de origem animal e vegetal, as decorrentes do aproveitamento deresíduos sólidos municipais, subprodutos de processos industriais – e tecnologias avançadas degeração termelétrica e de cogeração com redução de emissão de CO2. Para tanto, parte de umadiscussão de conceitos que são julgados pertinentes às análises de planejamento energético,considerandoque tais fontes combustíveis e tecnologias avançadas apenas serão contempladasnosplanos de expansão de longo prazo do setor energético se comprovarem vantagens técnicas,econômicaseambientaiscomparativamenteaoquehojeéempregado.

O eixo central do texto (Capítulos 1 a 6 eApêndices 1 e 2) consiste no relatório de pesquisareferenteaoprojetodeauxílioregulardaFapespintitulado“Análisedeoportunidadesdecogeraçãoeusoracionaldeenergiaapartirdetecnologiasavançadas”,cujoprodutofinalteveamençãodeumassessordaquelaFundaçãoparaqueodocumentofinalseviabilizassenaformadelivroparacursosnotema;osCapítulos7e8forambaseadosempesquisadesenvolvidanopós-doutoradorealizadopeloautornaUniversidadeFederaldeSantaCatarinaporsuaplenaaderênciaaoconjunto.Todososcapítulos foram revistos, ampliados e atualizados para garantir que as informações apresentadasfossemasmaisrepresentativasdoatualestadodoconhecimentonaáreadepesquisaemqueotextoseenquadra.

O projeto “Otimização de centrais de cogeração com emprego de indicadores ambientais”,referente à bolsa de produtividade desenvolvida na área de Planejamento Energético do ComitêAssessor em Engenharias e Ciências Nucleares, teve estreita relação com o projeto desenvolvidocom recursos da Fapesp; os projetos foram estruturados de forma concomitante e com algumasatividadescomuns.Oprojetosepropôsaavaliaroempregodefontesenergéticas renováveisedetecnologiasavançadasdegeraçãodeenergiaemcentraisdecogeração,buscandoidentificarnovasoportunidades de seu emprego e a possibilidade da proposição de soluções híbridas; além disso,buscou-se avaliar o seu potencial em termos de uso racional de energia. O projeto visou aindaestruturar um conjunto de informações e conceitos que auxiliassem no desenvolvimento deempreendimentos de geração térmica para a expansão de médio/longo prazos do setor elétricocontemplandooempregodetecnologiasavançadas;combaseemtaisinformações,desenvolveram-seanálisesparasubsidiarodesenvolvimentodepolíticaspúblicasparaousoderecursosrenováveis,taiscomoresíduossólidosegasososderivadosdelixourbanoeesgoto.

Nãoéoprimeirolivrodeminhalavra,eporcontadaexperiênciapregressaedetodooprocessoqueenvolveaescritaeaeditoraçãodeumlivro,deantemãojáassumoqueerrosdeimpressão,derevisão ou de qualquer outra ordem certamente aparecerão nesta obra e me são devidos. Estouconvencidodequeoamadurecimentodeumindivíduotambémocorrepeladisposiçãoemaceitar-seimperfeitoesujeitoa falhas,eemashavendo,peçoacompreensãodos leitores,equemeajudemnesseprocessodeaperfeiçoamento,indicando-asdeformagenerosaepiedosa.

1EMBUSCADEUMADEFINIÇÃO

PARAPLANEJAMENTOENERGÉTICO

“Quempodetudoprever?”

(ImitaçãodeCristo,capítuloXLV,alínea3)

Introdução

Nasúltimastrêsdécadasomundoviuaordemmundialsersubvertidaemváriosaspectos,sendoum deles – se não o principal – a questão da energia e domeio ambiente. Se em 1973, primeiromomentodacrisemundialdopetróleoquemarcouo séculoXX,apreocupaçãocomos impactoscausados pela queima dos combustíveis fósseis fosse quase nula, não se concebe atualmente quequalquer novo empreendimento que envolva geração de energia e/ou deposição de resíduos noambientesejainiciadosemqueantestenhamsidoavaliadasasconsequênciasdesuaimplantaçãoe/ouformasdemitigaçãodosefeitosnocivossejamestabelecidas.

Alguns processos que causam impactos ao ambiente são necessariamente decorrentes tanto daexistênciadevida–pelaabsorçãodooxigênio,eliminaçãodedióxidodecarbononoprocessoderespiração e eliminação de resíduos gasosos, líquidos e sólidos consequentes à alimentação e seuprocessamento – quanto da morte, pela decomposição orgânica dos seres vivos. Em meio àspenalidades impostas ao meio ambiente pelas atividades humanas que se seguiram à RevoluçãoIndustrial intensificam-se a exaustão dos recursos naturais, as emissões decorrentes das atividadesindustriaisedotransporteeadisposiçãoderesíduosconsequentesàstransformaçõesrealizadas.

As necessidades energéticas da população mundial, por sua vez, são crescentes. A análise daexpansãodasformasdesuprimentodeenergiadeveconsiderarasvertentesexistentes,tantonousoeficiente dos recursos naturais quanto na apropriação de novas tecnologias como forma de umaatuação ambientalmais favorável.Nesse contexto, este texto pretende avaliar o emprego de novasfontes energéticas e de tecnologias avançadas de geração de energia em centrais de cogeração,buscando identificar novas oportunidades de seu emprego, e a possibilidade da proposição desoluçõeshíbridas,bemcomoaavaliaçãodoseupotencialemtermosdeusoracionaldeenergia.

ConceitossobrePlanejamentoEnergético

DeacordocomKoontzeO’Donnell(1974,p.69),“planejarédecidirantecipadamenteoquefazer,comofazer,quandofazer,equemiráfazer”.Poressadefiniçãodepreende-sequeoatodeplanejarimplicaumbomconhecimentodosobjetoscontempladosnoprocesso,umarazoávelorganizaçãodeideiasedisponibilidadederecursos(humanos,monetários,técnicosetecnológicos)queauxiliemasuaefetivarealização.Osmesmosautoresavançamumpoucomaisemsuaexplicação:

Embora um futuro raramente possa ser previsto com precisão e fatores impossíveis decontrolar possam interferir nos planosmais bemarquitetados, se não houver planejamento, osacontecimentos são deixados ao acaso. Planejar é um ato intelectual, é determinarconscientemente os cursos de ação, é basear as decisões nas finalidades, nos fatos e emestimativasponderadas.(ibidem)

Algunspontosmerecemdestaque:

1) a frase “Embora um futuro raramente possa ser previsto com precisão” embute uma dasimportantesquestõesdoPlanejamento,queéodebuscarestabelecerascondiçõesnasquaisosfatosfuturospoderãoocorrer.Paratanto,realizam-se:–avaliaçãodascondiçõesestruturaiseconjunturaisdosprocessosemanálise;–estabelecimentodecenáriosprospectivosemcurto,médioelongoprazospararealizaçãode

projeções;–formulaçãodemodelosdetomadadedecisãodebasedeterminísticaouprobabilística;

2)em“senãohouverplanejamento,osacontecimentossãodeixadosaoacaso”,estabelece-seumadasboas consequênciasdo empregodoPlanejamento, que é a oportunidadede intervir nosprocessosduranteoacontecimentodosfatos,corrigindo-seeventuaisfalhasepermitindo-sequecondiçõesmaisfavoráveissejamalcançadas;

3)porfim,em“planejaréumatointelectual”,deve-secompreenderquenaáreadePlanejamentoEnergéticonemsempresedisporá,aofimdeumaanáliseemparticular,deum“objeto”ou“protótipo”,ou,comosehabituouchamarnaatualidade,de“umproduto tecnológico”,mastão somente1 (!?!) um conjunto de esquemas, cálculos e conjecturas que servirão comonorteadoresdepolíticaspúblicase/oudecisõesempresariais.

Definir PlanejamentoEnergético é uma tarefa complexa, uma vez que pode assumir diferentessignificados.Deumaformageral,poder-se-iadefinirplanejamentoenergéticocomooprocessodedesenvolvimentodepolíticasdelongoprazoparanortearoestabelecimentodaestruturaenergéticaemnívellocal,regional,nacionalouglobal.Aatitudemaissensata,noentanto,talvezsejaadetentarevidenciaralgunspontosdemaiorrelevância,nocontextodoquetemsidopublicadonotema,sempretensãodeesgotarsuaspossibilidades.

Dessemodo,poder-se-iaestabelecercomopertinentesaotemaosseguintespontos:

1)Oferta,conservaçãoeusoderecursosenergéticosenaturais:aofertaderecursosenergéticosenaturais (recursos hídricos, minerais, agrícolas e florestais, fluviais e marinhos, abiodiversidadeanimalevegetal,aconservaçãodosoloedoleitodosrios,dentreoutros)estádiretamentevinculada à suadisponibilidade.Durantemuito tempoahumanidadeutilizouosrecursosnaturais semadevidapreocupaçãocomasuasustentabilidade:nessecontexto,porexemplo, atualmente se percebe o quanto a devastação de florestas para produção de lenhacontribuiuparaareduçãodabiodiversidadeemmuitasregiõesdoplaneta(comaconsequente

perdadeinformaçãoepotencialempregodadiversidadegenéticadessas);ouainda,comoadestruiçãodematasciliaresparaproduçãodepastoreduziuovolumedeáguadealgunsriosdopaís.Esforçosprecisamserfeitos,emtodososníveisdasociedade,paraqueserevertamosefeitosdeletérios do uso inconsequente e pouco responsável dos recursos naturais. Nesse sentido,programas de uso racional de recursos (energia, inclusive), programas de reciclagem deprodutos e iniciativas na área educacional que sejam voltadas à difusão dos conceitos desustentabilidade e formação da consciência cidadã devem ser amplamente veiculados, emespecialvisandoatingirascamadasmaisjovensdapopulação.OPlanejamentoEnergéticodevecontemplarasmúltiplasformasdegeraçãodeenergia,tantocentralizada (as grandes empresas concessionárias de energia, água, climatização deambientes)quantodescentralizada(condomínios,residências,indústriaspraticandocogeração– enfim, pequenos produtores ou autoprodutores que geram energia para uso próprio comvenda de excedentes para o sistema centralizado), seja em atendimento aos sistemasinterligadoscomoaossistemasisolados(comoasilhaseascomunidadesafastadasdosistemainterligado). Ao se estabelecerem políticas de curto, médio e longo prazos, devem-seconsiderar todas aspossibilidadesde inclusãodenovas formasdegeraçãode energia, bemcomo o potencial de conservação de energia como estratégia de postergação dosinvestimentos em expansão do sistema de geração, naquilo que é hoje conhecido comPlanejamentoIntegradodeRecursos(PIR)2(Jannuzzi;Swisher,1997).Deve, ainda, considerar o amplo espectro existente namatriz energética dos países, com adisponibilidade de recursos renováveis (biomassas, energia eólica, energia maré-motriz,dentreoutros)enãorenováveis(petróleo,gásnatural,dentreoutros).

2)Compreensão das implicações econômicas, ambientais e humanas do objeto em análise: oPlanejamento Energético apresenta um espectro amplo acerca do conhecimento, mas cabesalientarquedeverespeitaroslimitesdesuaáreadeatuação.Dessemodo,compõeatemáticadoPlanejamentoEnergéticooestudododesenvolvimentonacional,regionaloumunicipal,eneste último encontram-se estudos voltados à questão do transporte (em termos tantologísticos quanto energéticos ou de emissões atmosféricas), da eficiência de sistemas deiluminaçãooudautilizaçãodesistemasdeaquecimentoembasesolarparaedifícios,dentreoutros.Oplanejamento das questões energéticas envolve aspectos técnicos e tecnológicos, os quaisestãonecessariamenteligadosaquestõeshumanas,dopontodevistaantropológicoesocial,bem como aspectos econômicos e ambientais (como mudança climática, o efeito estufadecorrente das emissões de CO2 e metano, impactos e restrições ambientais, os efeitos doProtocolodeQuiotosobreospaíses,amudançadapaisagem,osprocessosderemediaçãoemitigaçãodeefeitosindesejáveissobreoambiente).

3) Desenvolvimento e proposição de modelos (de projeção de demandas, de otimização esimulação): o Planejamento Energético se pauta pelo emprego de algumas técnicas queauxiliamoprocessode tomadadedecisões, gerando resultadosque servemdebasepara oestabelecimentodemetaseaorientaçãodepolíticaspúblicas.Modelos de projeção de demanda, assim como modelos de otimização e simulação sãobrevemente abordados em seus conceitos no item que segue. No entanto, a diversidade demodelosnãose limitaaesses,ampliando-os (comoosmodelosdeotimização lineares,não

lineares,multiobjetivos e inteiros) ou envolvendo novas correntesmetodológicas (como astécnicas multicritério, as baseadas em lógica fuzzy ou algoritmos genéticos, modelosprobabilísticosderiscoeincertezas,modelosdeequilíbrioeconômico,dentreoutros).Uma linhadepesquisabaseadaemmodelos referidosà segunda leidaTermodinâmicaeaoconceito de exergia – modelos termoeconômicos (que envolvem exergia e aspectoseconômicos) e “environômicos” (que envolvem exergia e aspectos ambientais) – tem sidoapresentada de forma consistente em análises de Planejamento Energético (Frangopoulos,1992;Frangopoulos;Caralis,1997).

4)Inclusãode fontesalternativasnamatrizenergética:diversasopções,emespecialaquelasdeordemrenovável,têmsidosugeridasacomporemosestudosdePlanejamentoEnergéticonoque diz respeito à oferta de novas fontes de energia. Assim, o estudo do potencial deaproveitamento de resíduos sólidos (agrícolas, florestais decorrentes de plantaçõesenergéticas e lixo urbano) na forma de gaseificação, incineração e aterros sanitáriosconsorciados com centrais de geração de energia, dentre outras possibilidades, apresentamgrande interesse na comunidade científica. Além desses, renovam-se as expectativas comrelaçãoàgeraçãoeólica,ageraçãomaré-motrizedecorrentesmarítimas,aconversãosolar-termelétrica e solar-elétrica, a primeira baseada em sistemas térmicos associados a torressolares para produção de energia elétrica e a últimabaseada no desenvolvimento de novosmateriaisparaaconfecçãodospainéisfotovoltaicos.

5) Inclusão de novas tecnologias de geração de energia: o Planejamento Energético também ébeneficiado pelo desenvolvimento tecnológico de novas formas de geração de energia,tambémchamadastecnologiasavançadasouprospectivas,taiscomoascélulascombustíveiseascentraisgeradorasdepotênciabaseadasnoconceitode“emissãozero”deCO2(Yantovski,1996;Gabrielli;Singh,2003).Deacordocom(Lior,1997),

os sistemas de conversão energética são avançados se eles se revelammelhores do que osconvencionais, em termos de maior eficiência energética e/ou exergética, de menoresemissõesdeespéciesquímicase/ouenergia,demenorescustosde investimento,demenorescustos operacionais e/ou especializações requeridas para sua operação, e por uma maiorconfiabilidade.

Deacordocomamesmareferência,podem-seidentificarasseguintescategorias:tecnologiasque elevam a temperatura superior do ciclo; tecnologias com melhorias no processo decombustão; tecnologias não limitadas pela eficiência de Carnot; tecnologias com menorcapacidadededestruiçãoexergética;tecnologiasquereduzematemperaturainferiordociclo;tecnologias que utilizam fontes de energia renováveis e ambientalmente amigáveis. A esserespeito,Balestieri(2001)formulouumataxonomiaparaevidenciarasdiferentestecnologiasavançadas, com especial destaque para aquelas derivadas de turbinas a gás, e que sãoapresentadasnoApêndice1nocontextodosdemaisciclostérmicosdegeraçãodeenergia.

Consideraçõessobreusoracionaldeenergiaecogeração

Nãoseconcebeummundocomdesenvolvimentosocialeeconômicodesprovidodeimpactosaomeioambiente(Almeida,1998)ou,comoestabelecidoporHobbseCentolella(1995,p.255),“emummundoeficiente,noqualtodososcustosambientaissejaminternalizados,aindahaverápoluição”.Éimportante, pois, que iniciativas para a redução dos passivos ambientais sejam desenvolvidas,buscando-seumbalanço entre as necessidadeshumanas, ousoda energia e omeio ambienteparagarantirumdesenvolvimentosustentável;nessesentido,asubstituiçãodecombustíveiseainclusãode fontes renováveis e de tecnologias avançadas com menor produção de CO2 contribuemefetivamentedopontodevistaambiental.

Adespeitodenovaspropostas,peloArtigo2odoProtocolodeQuiotopodemseridentificadasaspolíticassugeridasatítulodeseremimplantadasvisandoàreduçãodosefeitosadversosdasemissõesatmosféricassobreomeioambiente,comoreproduzidoaseguir:

1.CadaParteincluídanoAnexoI,3aocumprirseuscompromissosquantificadosdelimitaçãoe redução de emissões assumidos sob o Artigo 3, a fim de promover o desenvolvimentosustentável,deve:

(a) Implementar e/ou aprimorar políticas e medidas de acordo com suas circunstânciasnacionais,taiscomo:

(i)Oaumentodaeficiênciaenergéticaemsetoresrelevantesdaeconomianacional;[...](iv) A pesquisa, a promoção, o desenvolvimento e o aumento do uso de formas novas e

renováveis de energia, de tecnologias de sequestro de dióxido de carbono e de tecnologiasambientalmenteseguras,quesejamavançadaseinovadoras;

(v)A reduçãogradual ou eliminaçãode imperfeiçõesdemercado, de incentivos fiscais, deisençõestributáriasetarifáriasedesubsídiosparatodosossetoresemissoresdegasesdeefeitoestufaquesejamcontráriosaoobjetivodaConvençãoeaplicaçãodeinstrumentosdemercado;

[...](viii) A limitação e/ou redução de emissões de metano por meio de sua recuperação e

utilizaçãonotratamentoderesíduos,bemcomonaprodução,notransporteenadistribuiçãodeenergia.

Alinhados com os preceitos do Protocolo, diversos trabalhos procuram identificar os meiospelosquaisasemissõesdeCO2podemserreduzidas(Desideri;Corbelli,1998;Bollandetal.,2003):

–práticasdeeficiênciaenergética,oquereduzoíndicedeemissão(gCO2/kWhelétrico);–usodecombustíveiscombaixoteordecarbono,oureduzidarazãoCO2/H2O(peloabandonodo

carvãoemaiorempregodegásnaturalehidrogênio);–usodefontesdeenergiadesprovidasdecarbono(solar,eólica,pequenascentraishidrelétricase

biomassas),paraasquais,aomenosnasbiomassasvegetais,obalançodeemissãoeretiradadeCO2nomínimoseigualem;

–intensificaçãooucriaçãodenovossorvedourosnaturaisdecarbono;–capturadeCO2degasesdeexaustãopormeiosfísicos,químicosebiológicos;–mudançasestruturaisdaeconomiaedabasetecnológicadegeraçãoenergéticacomoformade

melhoraraeficiênciadeusofinalereduzirasemissõesdeCO2.

Do ponto de vista da eficiência energética (ou “uso racional de energia”, ou “conservação deenergia”),asintervençõesquedevemserfeitasemqualquerprocessosão(Balestieri,2002):

1) Eliminação dos desperdícios na acepção estrita do termo, que corresponde ao conceitoprimeirodeConservaçãodeEnergia;

2)Melhoria no funcionamento dos sistemas de produção e consumo, existentes graças a umaorganizaçãomaiseficienteeàracionalizaçãoadministrativa;

3) Restruturação do aparelho produtivo, buscando-se tecnologias poupadoras de energia,medianteaadoçãodeprocessoseequipamentosmaiseficientes;

4)Restruturaçãodoaparelhodeconsumo,medianteaconcepçãodeprodutoscomnormasdeusoreduzidodeenergia,sejadireta (melhoriadaeficiênciadosequipamentos,porexemplo)ouindiretamente (redução do conteúdo energético dos materiais empregados, reciclagem,recuperaçãoderesíduosetc.);

5)Exploraçãode formasalternativasde satisfaçãodamesmanecessidade social, especialmenteno que diz respeito aos serviços (prioridade para o transporte coletivo de passageiros,transporteferroviárioparacargas,porexemplo)eàutilizaçãodeequipamentoscoletivosnashabitações;

6)Ação sobre os determinantes da demanda de transportes, reduzindo o volumede tráfego demercadorias e pessoas, assim como a distância a que devem ser transportadas, pelamodificaçãodomodelodeconfiguraçãoespacialdeeconomiatipo“centro-periferia”;e

7)Mudançadevaloresquepossamalteraraestruturadademandasocial, inclusiveosesforçosparapromovera limitaçãopessoaldosníveisdeconsumomaterial,emnomedepostuladoséticose/ouestéticos.

Nobojodaeficiênciaenergética,acogeraçãoocupaumimportantepapel,masseriaumaspectodentreosdemaisquedevemsertornadosoperacionaisparaqueodesenvolvimentosustentávelpossasetornarrealidade.

ParaNakićenović (2002), um cenário dito “ecológico”, no qual fossem observadas as opçõestecnológicas para redução de emissões atmosféricas, deveria prever uma maior participação debiomassa e solar, com significativa redução do emprego de carvão, óleo e gás natural. Lenssen eFlavin (1996)aindaadvogamque“o ‘cenário sustentável’ éumaestruturaenergéticacaracterizadaporelevadosníveisdeeficiência,usoextensivodetecnologiasdescentralizadas,empregomaciçodegás natural e hidrogênio como fontes energéticas e umamudança gradual para fontes energéticasrenováveis”.

Cabeassinalarqueasenergiasrenováveisrepresentamocaminhopeloqualserápossívelalcançarreduções significativas das emissões de poluentes na atmosfera, o que somente se dará pelaconfluência de um ou mais dos seguintes fatores: limitação da disponibilidade de combustíveisfósseis;reduçãodocustomarginaldeexpansãodastecnologiasrenováveis;definiçãodesistemadecotasqueobrigueosconsumidores,produtoresoucomercializadoresdeenergiaaadquirirparceladeenergiaoriundadefontesrenováveisnoseuportfólio(Lindenbergeretal.,2000).

Nocentrodaquestão“energiaemeioambiente”surgemopiniõesquesinalizamofuturoapartirdo hidrogênio (Teixeira Jr., 2003); tecnologias ainda tidas como inovações “radicais”, como ascélulas combustíveis, seriam a base para a conversão energética desse combustível, cujatransformação resultaemágua.Algunsproblemasambientais,porém,deverãopermanecermesmocomoempregodessatecnologia:comooH2nãoéencontradolivrenanatureza,deveserextraídodealgumaoutrafonte,comoogásnatural,comconsumodeenergia.Alémdisso,estudodeSchultzet

al.(2003),queconsideraasubstituiçãode50%doscombustíveisfósseisatualmenteempregadosportecnologiasqueempregamH2,indicaaumentosde34%paraemissãodeCO2e19%paraemissãodeCH4emcomparaçãocomasituaçãopresenteconsiderandoomodeloeoscenáriostestados.Mesmoo emprego de novas tecnologias (como gaseificação de carvão, reforma de gás natural ebiocombustíveis)aindapoderiaresultaremaumentosdaordemde5%a10%paraosmesmosgases.Noentanto,mesmocomseusimpactos,odesenvolvimentodetaistecnologiasdeveserincentivadopelopotencialtecnológicoeambientalquepodemvirarepresentarnofuturo.

Bolland et al. (2003) apresentaram uma análise exergética baseada em ciclo combinado paracapturadeCO2apartirdareformaautotérmicadegásnatural,demonstrandoquãosignificativapodeser a redução das emissões específicas de CO2. No referido artigo, um caso base é considerado,assim como duas situações em que gás reformado é empregado: o Caso 1 tem o ar entregue aoreformadorautotérmicopressurizadoporumcompressorcolocadonasaídadoconjuntoagás,aopassoquenoCaso2umcompressordocombustívelreformadoécolocadonaentradadacâmaradecombustão do conjunto a gás.4 Com a reforma do gás natural, os teores de H2 presentes nocombustíveldereformasãoelevados,sendonulosnogásnatural,ocontrárioocorrendocomoCH4.A Tabela 1.1 resgata valores do referido trabalho; observa-se uma redução da eficiência emconsequênciadoaumentodoconteúdoenergéticodocombustívelemcomparaçãocomoaumentodacapacidadedegeraçãodociclo,aopassoqueareduçãonosíndicesdeemissãodeCO2ésignificativa(cercadeseisvezes).

Tabela1.1–ResultadosdeBollandetal.(2003)

Base Caso1 Caso2

Podercaloríficodocombustível(referidoaoPCS(a))(MW) 683 879 864

Composição(%)

H2(b) 0,0 55,6 56,3

N2+ar 2,0 41,2 40,7

CO 0,3 0,4

CO2 1,0 2,0 2,0

CH4(b) 93,0 0,5 0,4

C2H6 4,0

H2O 0,3 0,2

Potêncialíquida(MW) 378 422 421

Eficiêncialíquida(referidaaoPCS)(%) 55,4 47,9 48,6

EficiênciadeSegundaLei(%) 53,7 46,3 47,1

EmissõesdeCO2(gCO2/kWhel)(b) 365 57 56

Nota: (a) PCS: poder calorífico superior; (b) destaque nosso; (c): a despeito de seu uso corrente nesse domínio do conhecimento, oempregodesubscritosemunidadesdemedidanãoépráticaabonadapelasnormastécnicasbrasileiras.

Nesse mesmo contexto, tecnologias avançadas de geração de energia consideradas como“incrementais”, como as que podem ser desenvolvidas a partir de turbinas a gás – unidades cominjeção de vapor (STIG, Steam Injection Gas Turbine), com reforma química de combustíveis(CRGT, Chemically Recuperated Gas Turbine) ou evaporativas (HAT, HumidAir Gas Turbine) –apresentam grande potencial de redução de emissões (Balestieri, 2001;Balestieri; Colle, 2002).A

associaçãodeconjuntosagás5comcaldeirasconvencionais tendoporfornalhaumincineradorderesíduos sólidos éumapossibilidadeconsideradana análisedeOtomaet al. (1997).Abasepara aproposiçãodetalconfiguraçãoéociclocombinadogás/vapor,eacaldeiraderecuperaçãodesseésubstituída pela estrutura de geração de vapor composta de incinerador/caldeira/superaquecedordaquele.

BerryeJaccard(2001)discutemanecessidadedeumamudançametodológica na avaliaçãodosbenefícios,doscustosedosriscosassociadosaosempreendimentosenergéticos(ouaoempregodefontesdeenergia)paraquenovasformasdegeraçãosejamconsideradasnaanálisedeexpansãodosetordegeração.Aesserespeito,traduzemadiscrepânciaentreosbenefíciossociaiseeconômicosde fontes renováveis, com seus aludidos “elevados riscos financeiros”, relativamente às formasconvencionais,altamentepoluentes,emtrêsprincipaisrazões:

–algunsestadosprovêmsubsídiosàsformasdegeraçãoconvencionais;–oscustostotaisdepoluição–as“externalidades”–nãosãoincluídosnoscustosfinanceirosde

fontesconvencionaisdegeraçãodeeletricidade;e,– fontes renováveis são geralmente associadas com novas tecnologias, de maior custo de

investimento que decrescem com a comercialização em face de economias decorrentes daaprendizagemsobreasmesmaseeconomiasdeescalademanufatura.

NaFigura1.1,pelaperspectivatradicional,asalternativasrenováveissemostrammaiscarasqueasformasconvencionaisdegeração.Namesmafigura,àdireita,apresenta-seoimpactopotencialdeseconsideraremostrêsfatoresacimadiscorridos;seossubsídiossãoremovidoseasexternalidadesincluídas,oscustosdasfontesdegeraçãoconvencionaiscrescemeoscustosdaenergiarenováveltendemadiminuir.6

Olevantamentodoestadodoconhecimentodesistemasdecogeraçãocomfoconoempregodetecnologiasavançadasdegeração,bemcomopelaintegraçãodefontesenergéticasrenováveisrevelaqueháumamultiplicidadedenovaspropostasdecunho tecnológicoque sinalizamparapotenciaismelhoriasemtermosdeeficiênciaenergética,equedevemserinvestigadas.

Figura1.1–Geraçãoconvencionaleporrenováveis:comparaçãofinanceiraesocialFonte:BerryeJaccard(2001).

O estudo desenvolvido no presente texto se propõe a avaliar o emprego de fontes energéticasrenováveis e de tecnologias avançadas de geraçãode energia emcentrais de cogeração, buscandoidentificar novas oportunidades de seu emprego e a possibilidade da proposição de soluçõeshíbridas, bem como a avaliação do seu potencial em termos de uso racional de energia. Comoresultado, visa disponibilizar informações e conceitos que auxiliem no desenvolvimento deempreendimentos de geração térmica para a expansão de médio/longo prazos do setor elétricocontemplandooempregodetecnologiasavançadas,edeanálisesquesubsidiemodesenvolvimentodepolíticaspúblicasparaousoderecursosrenováveis.

Consideraçõessobrecogeração

Tecnicamente, a cogeração é definida como uma forma de geração distribuída baseada naproduçãodeduasoumais formasdeenergia (quase sempreumana formaelétricaoumecânicaeoutra na forma térmica) a partir de umamesma fonte de energia (normalmente, a queima de umcombustível). Dessa forma, essa prática ocuparia o terceiro nível de intervenção das proposiçõesvoltadasàmelhoriadaeficiênciaenergética,deacordocomadescriçãorealizadanoitemanterior,edeve ser precedida de análises que eliminem desperdícios flagrantes e ajustes das unidades deprocesso(osconsumidoresdeenergia).

Dopontodevistalegal,acogeraçãoprecisaserestabelecidacombaseemrequisitostécnicoseíndicesqueassimaqualifiquem,demodoapermitiraoempreendimentobenefícioseconômicosqueoviabilizem.NocasodoBrasil, aResolução235,de14.11.2006,daAgênciaNacionaldeEnergia

Elétrica(Aneel),estabeleceosrequisitosparaaqualificaçãodecentraistermelétricascogeradorasdeenergiaeseaplicaàpessoajurídicaouempresainteressadaemproduzirenergiaelétricadestinadaaoserviçopúblico,àproduçãoindependenteouàautoproduçãocomopçãodeutilizaroexcedenteparacomercializaçãoeventualoutemporária.

AautoproduçãoreferidanaResoluçãoAneel235/2006tambémdizrespeitoàpessoafísicaquesealinhe à ResoluçãoAneel 482, de 17.4.2012, que estabelece as condições gerais para o acesso demicrogeraçãoeminigeraçãodistribuídaaossistemasdedistribuiçãodeenergiaelétrica.Essarecentenormatização é uma resposta positiva ao que está apresentado na Portaria Inmetro n.372, de17.9.2010,queestabeleceosrequisitostécnicosdaqualidadeparaoníveldeeficiênciaenergéticadeedifícios comerciais, de serviços e públicos; o emprego de ciclos de cogeração quecomprovadamenteaumentemaeficiênciadaedificaçãoproporcionandoeconomiamínimade30%doconsumoanualdeenergiaelétricaéumaalternativapropostademodoaqueacertificaçãorecebabonificaçãoquesignifiqueatéumpontonaclassificaçãogeral.

A central termelétrica cogeradora, para fins de enquadramento na modalidade de “cogeraçãoqualificada”,deveestarregularizadaperanteaagênciareguladoradeenergiaeatenderaorequisitomínimoderacionalidadeenergética,previstopelasinequações(1.1)e(1.2).

(1.1)

(1.2)

sendo:– Et = Potência da utilidade calor: cedida pela central termelétrica cogeradora, no seu regime

operativomédio,7 em kW, em termos líquidos, ou seja, descontando das potências brutasentreguesaoprocessoaspotênciasdebaixopotencialtérmicoqueretornamàcentral;

–Ef=Potênciadafonterecebidapelacentral termelétricacogeradora,noseuregimeoperativomédio,emkW,combasenoconteúdoenergéticoespecífico,quenocasodoscombustíveiséoPoderCaloríficoInferior(PCI);

–Ee=Potênciadautilidadeeletromecânica:energiacedidapelacentraltermelétricacogeradora,noseuregimeoperativomédio,emkW,emtermoslíquidos,ouseja,descontandodaenergiabrutageradaoconsumoemserviçosauxiliareselétricosdacentral;

–X=Fatordeponderação:parâmetroadimensionaldefinidoemfunçãodapotênciainstaladaedafontedacentraltermelétricacogeradora,obtidodarelaçãoentreaeficiênciadereferênciadautilidadecaloredaeletromecânica,emprocessosdeconversãoparaobtençãoemseparadodestasutilidades;

–Fc=Fatordecogeração(%):parâmetrodefinidoemfunçãodapotênciainstaladaedafontedacentraltermelétricacogeradora,oqualseaproximadoconceitodeeficiênciaexergética.

Conforme definições acima, os valores deX e Fc são função da potência elétrica instalada nacentraldecogeraçãoedarespectivafontedeenergiadisponibilizadapelafonteprimáriadacentraltermelétricacogeradora.ATabela1.2apresentaosvaloresdeXeFc,observando-sequeolegisladorpretendeu com tais valores favorecer o emprego de fontes energéticas renováveis e unidades de

geraçãocompotênciaaté5MW,paracentraisgeradorasdepotênciacomrazoáveleficiênciatérmicademodoaviabilizaracomercializaçãodeexcedentes.Taisfatoressãocondizentescomoempregosustentável de fontes renováveis e a pulverização de autoprodutores como forma de aumentar aconfiabilidadedosistemaelétrico,premissasdageraçãodistribuída.

Tabela1.2–Valoresdosfatoresdeponderação(X)ecogeração(Fc)

Fonte/potênciaelétricainstalada X Fc(%)

DerivadosdePetróleo,GásNaturaleCarvão

Até5MW 2,14 41

Acimade5MWeaté20MW 2,13 44

Acimade20MW 2,00 50

Demaiscombustíveis

Até5MW 2,50 32

Acimade5MWeaté20MW 2,14 37

Acimade20MW 1,88 42

Calorrecuperadodeprocesso

Até5MW 2,60 25

Acimade5MWeaté20MW 2,17 30

Acimade20MW 1,86 35

Fonte:ResoluçãoAneel235/2006.

Dopontodevistacomercial,acogeraçãoqualificadapossibilitaaoempreendedorsebeneficiarde tarifação diferenciada para o gás natural, por exemplo. A Tabela 1.3 apresenta de formacomparativaastarifasdogásnaturalcanalizadonaáreadeconcessãodaComgas(2012),segundoaDeliberação Arsesp n.340, de 30.5.2012, com vigência a partir de 31.5.2012, para os segmentosdiscriminados como “Termoelétricas”, “Cogeração” e “Industrial”. Dos valores apresentados,observa-sequeoconsumoindustrialétarifadopelovolumedegásnaturalutilizadosegundoaclassedeconsumo(custovariável,CV)eporuma“assinatura”pagaemrazãodaclassedeconsumo(custofixo, CF), ao passo que os demais segmentos são tarifados apenas pelo volume de gás naturalutilizadosegundoaclassedeconsumo.Quantoaosvaloresmonetáriosdocustovariável,observa-sequea tarifa industrial é578%a610%superior àde cogeraçãoemclasses equivalentes, inferior esuperior,respectivamente.

Tabela1.3–Tarifasdogásnaturalcanalizado,áreadeconcessãodaComgas(valoressemoimpostosobrecirculaçãodemercadoriaseserviços,ICMS)

Custovariável(R$/m3) Custofixo(R$/mês)

Termoelétrica(a) Classeúnica 0,038623 nãoseaplica

Cogeração(b)

Classe1:até5.103m3/mês 0,349115 nãoseaplica

Classe2:de5.103a50.103m3/mês 0,274165 nãoseaplica

Classe6:de2.106a4.106m3/mês 0,167754 nãoseaplica

Classe9:>10.106m3/mês 0,104361 nãoseaplica

IndustrialClasse1:até50.103m3/mês 1,585958 149,26

Classe6:>2.106m3/mês 1,023635 97662,35

Notas: (a)geraçãodeenergiaelétricadestinadaaoconsumopróprioouàvendaaconsumidorfinal; (b)cogeraçãodeenergiaelétricadestinadaaoconsumopróprioouàvendaaconsumidorfinal.Fonte:Comgas(2012).

A título de complementação, é importante destacar que a literatura registra atualmente termosadicionais,aquiregistradosecomentados:

– trigeração: éum termomaisespecializadopara indicarqueacogeraçãoestá sendopraticadabaseada na produção simultânea de três formas de energia, normalmente assumidas comosendo energia elétrica (ou mecânica), aquecimento (vapor ou água quente) e resfriamento(águaouarresfriado);

–tetrageração:éumtermoempregadoparaindicarqueacogeraçãoestásendopraticadabaseadanaprodução simultâneadequatro formasdeenergia, tendocomoprodutosenergia elétrica(oumecânica), aquecimento (vapor ou água quente), resfriamento (água ou ar resfriado) eáguadessalinizada;

–poligeração:éumtermogeneralizado,queconsideraqueaconversãodaenergiaprimárianosistema de cogeração pode representar a geração de múltiplas formas de energia, comoenergia elétrica (ou mecânica), energia térmica na forma de aquecimento (vapor ou águaquente), energia térmica na forma de resfriamento (água ou ar resfriado), ar comprimido,águadessalinizadas,produtosquímicos,combustíveis,dentreoutros.

EpílogodoCapítulo1

Neste capítulo foram apresentados elementos indicadores para o conceito de PlanejamentoEnergético,noentendimentodequesuaconceituaçãoconsisteemumasentençaemaberto,nãosendo–aomenosnopresente texto– estabelecidoumconceitoúnico,mas apresentadasdiversas facetasdessecampodoconhecimento.Alémdisso,foiestabelecidoocontextonoqualserádesenvolvidoopresente texto, bem como foram estabelecidas as bases nas quais serão analisados os diversoselementosquecompõemaquestão.

Nocapítuloquesegueapresentam-seomercadomundialdeenergiaeseusreflexosnoBrasil.

1Aesserespeito,reproduzem-setrechosdaentrevistadocientistaIsaiasRaw,entãopresidentedaFundaçãoInstitutoButantã,publicadona revistaPesquisaFapesp, n.113, de julho de 2005, que expressa esse pensamento: “Opesquisador da universidade imagina quedesenvolvetecnologia.Naverdade,eledesenvolveumaideiadebancada.Opesquisadorsempreestásonhandocomumacoisaquemesmo no Primeiro Mundo leva muitos anos. [...] Outro conceito fundamental é que, se você não faz o produto aparecer, nãorealizou nada. Quer dizer, a medida de tecnologia não é o trabalho publicado, muito menos a discussão interna. Se não tem umproduto,vocêpoucofezdopontodevistaindustrial”(grifonosso).

2“Conceitualmente,oPIRéumferramentalquecolocaconjuntamentenummesmopatamardecondiçõeseexpectativas,asopçõesdoladodosuprimentoedademanda.Edestamaneirapassaaescolheromelhorfeixedeopções, taiscomo:reduçãodautilizaçãodaenergia;cortedecarga;substituiçãodeenergético;educaçãodoconsumidor;etc.Nestecontexto,ecombinandocomumavisãomaisalém,pode-sedizerqueoPIRéumaabordagemholística,completaeabrangente,talquepermiteaopçãodecustomínimocom:amelhorianaproteçãodoMA[meioambiente];aconservaçãonasuaacepçãomaisampla;e,aindamelhoramentosnotransporteenalocalização”(Udaeta,1997,p.80-1).

3“OProtocolodeQuiotoestabeleceumetasdereduçãooulimitaçãodeemissõesdegasesdeefeitoestufaparaospaíseslistadosnoAnexoIdaConvenção,paísesindustrializadosdaOCDEedasdenominadaseconomiasemtransição(ouseja,paísesindustrializadosdolesteeuropeuedaex-UniãoSoviética).Nenhumcompromissoadicionalfoicriadoparaospaísesemdesenvolvimento”(Miguez,2002).

4Deacordocomosautores,issosefaznecessáriopelofatodeapressãonasaídadoconjuntoagásser25%inferioràqueérequeridanobocaldacâmaradecombustão.

5Emborao jargãodeengenhariaempregue regularmenteo termo“turbinaagás”,neste textodá-sepreferênciaao termo“conjuntoagás”, uma vez que tal equipamento compreende a composição de um sistema formado basicamente por compressor, câmara decombustãoeaturbinaagáspropriamentedita.

6Não deve ser esquecida a possibilidade efetiva de se considerarem os créditos de carbono previstos no Protocolo deQuioto nosmecanismosdedesenvolvimentolimpo(fontesalternativasdeenergiaefontesenergéticasnãofósseis).

7AResolução235identificaaunidadeparataisformasdeenergiacomokWh/h,certamenteestabelecendoqueosvaloresparaaanálise

devemsercolhidosdacurvaoperacionaldaenergiaaqueserefere,integradasobreonúmerodehorasdeoperação.

2OMERCADODECOMBUSTÍVEISEENERGIA

“Theanswerisblowinginthewind”

(BobDylan,Blowinginthewind)

Introdução

Aquestãoenergéticasempreocupouumpapeldedestaquenomundo,econtinuaráaocupar,umavezquetodoodesenvolvimentohumano,desdeosseusprimórdios,épautadopelodomínioepelousodaenergia.

Muitojásefalousobreahistóriadaenergia,emespecialosdesdobramentosdacrisedopetróleoquemarcouasdécadasde1970e1980,quandoseupreçopassoudeUS$5obarril,em1973,paraalgoemtornodeUS$40/bbl,em1979,novalorhistóricodamoedaamericana(quaseUS$80/bbl,emdólarde1995).AFigura2.1ilustraocomportamentodospreçosdagasolinaentre1961e1995(Moreira;Goldenberg,1999);aliseobservamospreçosalcançadospeloproduto,tantoemseuvalorhistóricoquantoemvalorcorrigidoparaodólarde1995.

Figura2.1–Comportamentodopreçodagasolinaentre1961e1995Fonte:MoreiraeGoldemberg(1999).

Em setembro de 2006, o preço praticado pelomercado estava próximo deUS$ 80 o barril depetróleo,comflutuaçõesparacimaeparabaixo;nopassado,asprevisõesparaaeventualidadedaocorrênciadessepatamareramdeum“quasecolapso”daeconomiamundial.Noentanto,aeconomiamundialcresceucontraosprognósticosdopassado.DeacordocomDweck(2006),certasmudançasocorridasnosúltimostrintaanossustentaramtalcondição:

–seforverdadequeospreçosdopetróleosubiram,aeconomiaglobalcresceunumaescalaaindamaior,fazendoqueosefeitosdoaumentodopetróleofossemamortizados;

–apósascrisesde1973e1979,ospaísesseesmeraramemdesenvolvermelhoriasdeeficiênciaenergética em fábricas eveículos, bemcomohouveummaior incentivoà incorporaçãodefontesrenováveisdeenergiapelossistemasdegeraçãocentralizada.8

A Figura 2.2 ilustra as posições descritas em Dweck (2006), ponderando na mesma escalatemporalopreçodopetróleoeataxaanualdecrescimentodaeconomiamundial.9Observa-sequeemmeioàcrisede1979,quandoopreçodopetróleoalcançouUS$88/bbl(atualizadosparadólarde2006),ataxadecrescimentodaeconomiamundialatingia2,2%,umdosíndicesmaisbaixosdasériehistórica.

Figura2.2–Impactodoaumentodopetróleonocrescimentodaeconomiamundial(1):valoresatualizados.Fonte:FMIeBritishPetroleumapudDweck(2006).

Dweck(2006)apontaparaodescompassoentreademandaeaofertacomoaprincipalcausaparatalelevaçãodospreçosdopetróleo;emsuaspalavras,“omundoconsomehojequasetodoopetróleoqueproduz.Umquadroemqueexisteaameaçadeescassezdoprodutotambémpressionaospreçosefavorece a atuação de especuladores, que compram papéis no mercado de futuros apostando emnovasaltasdacotação”.

Embora o mundo tenha apresentado períodos nos quais o descobrimento de novas reservassuperava o consumo, a situação presente conta com uma expectativa significativamente baixa dedescobertadenovasreservasdepetróleo,comosepodeobservarnaFigura2.3.Aextração,porsuavez, apresenta uma curva de crescimento bastante acentuada a partir de 1950 até a ocorrência dosegundochoquedopetróleo,em1979,quandoregistraummovimentodescendenteatéametadedadécadade1980.Nosanosqueseseguiram,aindaquede formabemmenosacentuadaquenaquelaantesdochoque,observou-senovatendênciadecrescimento.

Figura2.3–DescompassoentreofertaedemandadopetróleoFonte:Ballenilla(2004).

Em meio a essa questão, como um desdobramento dos movimentos em prol de uma melhorcondição ambiental que se tornarammais intensos a partir da década de 1990, os esforços para areduçãodasemissõesdegasesquecontribuemparaoaumentodoefeitoestufa(GHG,GreenhouseGasEmissions)tomaramvulto.Naatualidade,medidasvisandoamelhoriadaeficiênciaenergética,aindaqueserevelempertinentesparaviabilizarqualquerempreendimentoeconomicamenteatrativo,apenassãoimplantadassecondicionadasàmanutençãoouàdesejávelreduçãodoníveldeemissãodeCO2.

Ohistóricomundialdeenergia

Assimcomoocorreucomosromanos,comseu“impériodemilanos”,ahistóriaregistraqueatodo movimento de ascensão sucede um movimento de queda, e isso também é verdade para omercado de energia. A madeira foi e ainda é bastante presente na história da humanidade, sendobastantediverso seuempregonaatualidadeeatreladoàcondição socioeconômicadaspopulações.SuagrandeexploraçãoresultouemumaescassezdoprodutonaEuropaocidentalapartirdoséculoXVI, tornando-senecessárioexplorá-laemregiõesmais longínquas,forçandoumaumentoemseu

preço(Reisetal.,2005).Àlenhasucedeu,então,ousodocarvãomineral.Ocarvãomineral,empregadoemlargaescalaapartirdoséculoXVIII,estáintimamenteligadoà

Revolução Industrial e ao desenvolvimento damáquina a vapor (Tigre, 1997). A partir do séculoXIX,amadeiraeocarvãomineralserviamcomofontetantodeenergiatérmicaquantodemecânica.Porvoltade1859,naPensilvânia,inicia-seaexploraçãodopetróleo,eem1860quinzerefinariasjáfuncionavamnosarredoresdePittsburgh(Martin,1992).Orefino,então,consistiaemconverterummáximo de petróleo bruto em querosene, utilizado para iluminação, e os demais derivados leveseramrejeitados.

Ogásnatural,emboraconhecidodesdemuitosséculospeloschineses,começouaserutilizadonos Estados Unidos desde o século XIX e apenas tardiamente entrou na estrutura de produçãomundialdeenergia.Ogás,umavezencontrado,eraqueimadooureinjetadonospoços.DeacordocomDias(2003),

adifusãodogásnaturalematividadesdomésticas,apesardeserutilizadopeloschinesesantesdaera cristã, émais tardia,porvoltadadécadade1950nosEstadosUnidos.O transportedogásnatural figura como um fator limitante devido ao seu elevado preço, mas a necessidade dediversificaçãonamatrizfoiresponsávelpelabuscadenovastécnicasdeentregadocombustível,visando-se reduzir as despesas de transporte através de gasodutos e sistemas de distribuiçãocompatíveiscomoconsumoenergéticonosdiversossegmentosdeuso.

Ocenárioparaacrisedopetróleode1973tevecomopanodefundoaelevadadependênciadospaíses desenvolvidos desse produto, apesar de as grandes reservas estarem localizadas em outrasregiões, como nos países do Oriente e do Norte da África. Essa dicotomia, aliada aos elevadosvolumes comercializados, expôs a dependência e a fragilidade das relações comerciais dos paísesconsumidores para com os produtores. Em virtude desse desequilíbrio no setor petrolífero, aOrganizaçãodosPaísesExportadoresdePetróleo (Opep–criadaem1960, comaparticipaçãodetrezepaíses exportadoresdepetróleo) começouapressionaromercado internacionaldepetróleo,visandocomissoaumentarolucroalcançadoporbarrildepetróleoproduzido(Dias,2003).

Na sequência desses fatos, sucederam-se conflitos entre Israel, Egito e Síria, no final de 1973,dandooportunidadeparaqueospaísesárabes,exportadoresdepetróleo,semobilizassemnadefesade seus interesses geopolíticos; com isso, o barril de petróleopassadeUS$2,99paraUS$11,65,ficando nesse patamar até 1979, quando ocorreu a segunda crise do petróleo, no qual o valor dobarrilchega,então,próximodeUS$40,00.Aalternativaparaospaísesera,então,buscarareduçãodaparticipaçãodopetróleonamatrizenergética,aomesmotempoquenovasopçõespassaramaserconsideradas (Dias, 2003). O Proalcool, Programa Nacional do Álcool, foi uma das realizaçõesdesse período, chegando a registrar, em 1995, um índice de 95,8% de veículos a álcool vendidos(Roppa, 2005).Ainda segundoDias (2003), “éoportuno ressaltar quenessamesmaépocahouve atransferência de várias empresas dos países industrializados para os qualificados como emdesenvolvimento, principalmente as energointensivas, na busca de fontes energéticasmais baratas,juntamentecomoutrosinteresseseconômicos”.

A título de ilustração, apresenta-se na Figura 2.4 um espectro da substituição de energéticosprimários,de1800a2100,noqualseobservaqueacada80-100anosumafontesucedeaoutra.Ocarvãomineral, em 1910, representava 70% domercado de energéticos, a lenha, 20%, enquanto,juntos,petróleoegásnaturalnãoalcançavam10%domercado;em1970,opetróleorespondepor

cercade40%domercado,ocarvão,algocomo35%,eogásnatural,25%.Para2030projeta-seumaparticipaçãodogásnaturalnaordemde65%,15%denuclear,12%depetróleoepequenasfraçõesdelenhaedetecnologiasavançadasdeemissãozero,comosolarefusão.

Figura2.4–EvoluçãodasubstituiçãodefontesenergéticasprimáriasNota: Fração (S) é a parcela de mercado da fonte de energia. Fonte: Nakata et al. (2011); Nakićenović (1984) adapatado deNakićenović(1997).EstatísticasdaIEAsegundoIEA.Worldenergyoutlook2008.Paris:OECD/IEA,2008.

Projetarofuturoenvolveumasériedevariáveisparaasquaispoucaounenhumacapacidadedeintervenção se encontra disponível. Ainda assim, diversas são as entidades que se dedicam a essatarefa.AFigura2.5 ilustraaprojeçãoparaaparticipaçãodediferentesfontesdeenergiaatéoano2020,deacordocomExxonMobil(2004),naqualasenergiassolar,eólicaedebiomassaaumentamsua participação na matriz mundial a partir do ano 2000. Observa-se que embora sejasignificativamente crescente a participação futura dessas fontes energéticas no cenário proposto, aprojeçãodeconsumodogásnatural,óleocombustívelecarvãonãodeixatambémdecrescer,aindaque com taxasmenores,mas ainda comgrande representação emvalores globais.10AFigura 2.6apresentaoconsumomundialdeenergiaentre1985e2010,evidenciandoagrandepreponderânciadoempregodecombustíveisfósseis.

Figura2.5–ProjeçãodeofertamundialdeenergiaFonte:ExxonMobil(2004).

Figura2.6–Consumomundialdeenergia1985-2010(em106tep)Fonte:BritishPetroleum(2011).

Oquadroatualnomundo

Com base nas mais recentes discussões ambientais, a ação humana é assumida por múltiplosgruposcomodefinitivamenteresponsávelpelasseverasalteraçõesclimáticasglobaisdecorrentesdoemprego de combustíveis fósseis, como apresentado em IPCC (2007) com relação à curva deemissão temporal de CO2, aqui reproduzida como Figura 2.7, na qual se observa o grande saltoocorridoapósaRevoluçãoIndustrialdoséculoXVIII.

Figura2.7–EmissãodeCO2naescalatemporalFonte:IPCC(2007).

Adespeito disso, o atual quadro de produção e consumomundiais de energia não deve sofrer

grandesalteraçõesnumcenáriodemédioprazo,emboraissofossedesejável,hajavistaquenãoháconsensosobretalfato,sejaeletecnológico(comrespeitoaodesenvolvimentodetecnologiascomeficiênciadeconversãoenergéticaadequadaeembases satisfatoriamente sustentáveis), econômico(considerando-se os custos marginais diferenciados que as fontes energéticas alternativasrepresentam)oumesmopolítico(quantoàaceitaçãodaresponsabilidadesolidáriadetodosospaíses,sejamelesaltamenteemissoresounão).

Em termos de consumo de energia, a partir da Figura 2.8 pode-se observar o percentual doconsumomundialdefontesenergéticasem1973eem2008,constatando-seareduçãodaparticipaçãopercentual do petróleo e carvão mineral em favor do gás natural e da eletricidade, uma ligeirareduçãonoconsumodeenergias renováveis eo impressionante aumentoem80%doconsumodeenergiaem35anos.

Figura2.8–Participaçãomundialdoconsumodasfontesenergéticasem1973e2008Fonte:Brasil(2011).

Oconsumodasfontesdeenergia,comparadoaograudedesenvolvimentoeconômicodospaíses,deixa evidente a discrepância com relação à intensidade com que diferentes países fazem uso dasmesmas.OspaísesquecompõemaOrganizaçãoparaaCooperaçãoeDesenvolvimentoEconômico(OCDE)11sãoosqueapresentamosmaiselevadosvalores tantodeconsumopercapitaquantodeIDH,o índicededesenvolvimentohumano,conceitocriadoem1990peloseconomistasMahbubulHaqeAmartyaSenparaagregara longevidadeeograude instruçãodapopulaçãoàscorrelaçõesqueconsideramopadrãodeconsumoenergéticocomoProdutoInternoBruto(PIB)dopaís.

A Figura 2.9 ilustra o consumo de energiapercapita pelo IDH com valores referidos a 1999(Dias, 2003). Do ponto de vista social e humano, é desejável que os países em desenvolvimentoalcancemumnível de consumopercapita que permita à sua população umamelhor qualidade devida;entretanto,épreocupanteassumirqueospaísesatualmentecombaixoconsumopercapitadeenergiaprojetemalcançarpatamarespróximosdosatualmentepraticadosnospaísesdesenvolvidos,emespecialquandoseconsideraqueapartirdeIDH=0,8oconsumopercapitadeenergiaseelevadeduasparaoitotoneladasequivalentesdepetróleo(tep)comaumentodeapenas0,15noIDH.

Aanálisedoconsumomundialdeenergia,segundoEIA(2011),permiteobservarumainversãodatendênciadeparticipaçãoenergéticaem2007,anoemqueospaísesnãomembrossuperaramospaísesmembrosdaOCDE, invertendoacurvahistóricaprincipalmenteemdecorrênciadapujançaeconômica de países como China, Rússia, Índia e Brasil. Os impactos decorrentes devem serobservadosemtermosdeaumentodapressãoporprodutos(benseserviços)eporalimentos(comavançodeáreasagricultáveissobreáreasaindanãoexploradascomercialmente,salvomelhoriasdeprodutividade), o que deve trazer por consequência aumento da produção de resíduos sólidos eemissõesgasosasparaoambiente.

Figura2.9–GráficodoconsumopercapitadeenergiapeloIDHFonte:Dias(2003,p.104).

Oquadroenergéticobrasileiro

OBrasilapresentaatualmenteumaestruturadegeraçãodeenergiabaseadaemtecnologiadebasehidrelétrica,termelétricadeorigemfóssil,termonuclearerenovável(biomassas),bemcomoeólica.ATabela2.1apresentaacomposiçãodamatrizenergéticabrasileiraemtermosdaofertadeenergia,comparativamente àmatrizmundial, identificando a intensa participação da fonte hidrelétrica e dabiomassa.

Tabela2.1–Ofertanacionalemundialdeenergia,relativoa2008(em%)

Fonte Brasil Mundo

Petróleo 36,6 33,2

Carvãomineral 5,8 27,0

Gásnatural 10,3 21,1

Nuclear 1,5 5,8

Hidráulica 14,0 2,2

Fontesrenováveis 31,8 10,0

Outrasfontes 0,0 0,7

Fonte:Brasil(2011).

Ageraçãohidrelétrica representaomaiorpercentualdegeraçãoelétrica,masseobservaqueamatrizcomeçouaserdiversificadacommaiorintensidadepelainclusãodageraçãotermoelétricaetermonuclear(ounucleoelétrica)apartirde2000,comosepodeobservarnaFigura2.10;observa-sequeacapacidadeinstaladaésuperiora113GW,epoucomaisde80GWsãodeorigemhidrelétricae29,6GWsãodeorigemtérmica.

Figura2.10–Capacidadeinstaladadegeraçãodeenergiaelétricabrasileira,de1974a2010Fonte:Brasil(2011).

Comosproblemasdeabastecimentoocorridosem2001(queficouconhecidocomo“apagão”),intensificaram-se os programas para a diversificação da matriz energética nacional; algumas dasiniciativasqueentãosesucederamsãoapresentadasaseguir:

–ProgramaPrioritáriodeTermelétricas(PPT):desenvolvidonoâmbitodoMinistériodeMinaseEnergiaelançadoem2001pelogovernofederal,oProgramaPrioritáriodeTermoelétricastentousupriraescassezdeenergiapormeiodarápida instalaçãode49usinas termelétricasmovidas,principalmente,agásnatural(Michelini,2005).De acordo comGomes (2002), os investidores participantes poderiam possuir garantias desuprimentodegásnatural,egarantiapeloBancoNacionaldeDesenvolvimento(BNDES)deacesso a um programa de apoio financeiro e pormeio desse programa, a dependência dascondiçõeshidrológicaspoderiaserreduzida.ComareduçãodosinvestimentosemgeraçãoaolongodeváriosanosecomoatrasodasobrasprevistasnoPPT,ocrescimentodomercadopassouaseratendidopormeiododeplecionamentodosreservatórios,aomesmotempoqueopaís ficava dependente da manutenção de condições hidrológicas favoráveis. No períodoúmido de 2001, ocorreram afluências significativamente baixas que, juntamente com osfatores anteriormente abordados, acabaram por ocasionar um déficit de energia no país.Posteriormente,oprogramafoiestendidoparaacogeração.

–Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica (Proinfa): de acordo comGuardabassi(2006),emsuaprimeirafasetalprogramaprocurouasseguraraparticipaçãode3.300MWdeenergiaapartirdefontesrenováveis,enasegundafaseasenergiasrenováveis

(biomassa,PCHeeólica)buscaramatendera10%doconsumoanualdeenergiaelétricanopaísemvinteanos;paraqueametafosseatingida,nomínimo15%doincrementoanualdeenergiaelétricadeveriamsersupridospelasfontesrenováveis,deacordocomaLein.10.438,de26deabrilde2002.ConformedescritoemMendes(2005),naRegiãoNordesteaenergiaeólicadeveservircomocomplementoaoabastecimentohidráulico,jáqueoperíododechuvaséinversoaodeventos,eomesmodeveocorrercomabiomassanasRegiõesSuleSudeste,ondeacolheitadesafraspropícias à geração de energia elétrica (cana-de-açúcar e arroz, por exemplo) ocorre emperíododiferentedochuvoso.

EpílogodoCapítulo2

No presente capítulo procurou-se apresentar o panorama energético recente, no qual oscombustíveis fósseis ainda apresentam uma grande participação, assim como se projeta para aspróximas duas décadas que assim permanecerá, mesmo com a crescente participação de fontesenergéticas renováveis e a preocupação ambiental decorrente das consequências das emissões dosgasesdeefeitoestufa.

OpróximocapítuloprocuraapresentarosconceitosrelativosàsemissõesdeCO2eoutrosgasescomdecisivaparticipaçãonoaquecimentoglobal,bemcomoomercadodecréditosdecarbono,astaxaambientaiseaexperiênciadospaísesqueseadiantaramnesseprocesso.

8Aindaquesepossa(edeva)discutiraamplitudecomaqualissofoifeitoemcadaumdospaíses.9OpreçodopetróleoemNovaYorkcaiudeUS$78,40/bbl,picoemjulhode2006,paraUS$58,90/bblem3.10.2006.10Tomando-seacurvasuperior,observa-sequeenquantoogásnaturalaumentasuaparticipaçãoentre2000e2020de50MBDOE,abiomassanomesmoperíodoaumentasuaparticipaçãoem10MBDOE.

11Composta pelos países:Alemanha,Austrália,Áustria, Bélgica, Canadá, Coreia do Sul,Dinamarca, Eslováquia, Espanha, EstadosUnidos,Finlândia,França,Grécia,Hungria, Irlanda, Islândia, Itália, Japão,Luxemburgo,México,Noruega,NovaZelândia,PaísesBaixos,Polônia,Portugal,ReinoUnido,RepúblicaCheca,Suécia,SuíçaeTurquia.

3EMISSÕESDECO2EOMERCADO

DECRÉDITOSDECARBONO

“Terra,Terra,éstãodelicadaOsteushomensnãotêmjuízoEsqueceramtãograndeamorOferecesosteustesourosMasninguémdáoteuvalor”

(MiltonNascimentoeMárcioBorges,“Estrelada”)

Introdução

Alguns processos que causam impactos ao ambiente necessariamente são decorrentes daexistência de vida – tais como a absorção do oxigênio e eliminação de dióxido de carbono noprocesso de respiração e a eliminação de resíduos gasosos, líquidos e sólidos consequentes àalimentação–,assimcomodemorte,peladecomposiçãoorgânicadosseresvivos.

NãofossepelosdesequilíbriosqueasatividadeshumanasqueseseguiramàRevoluçãoIndustrialcausaram (e ainda causam), os passivos ambientais decorrentes da existência de vida naturalmentepoderiam ser compensados de alguma forma. Não é possível conceber um mundo em que hajadesenvolvimento social e econômico, mas que seja desprovido de qualquer impacto ao meioambiente (Almeida, 1998), ou como estabelecido por Hobbs e Centolella (1995, p.255), “em ummundoeficiente,noqualtodososcustosambientaissejaminternalizados,aindahaverápoluição”;adespeitodisso,iniciativasqueresultemnareduçãodospassivosambientaissãoimportantesedevemserimplantadas.

OpresentecapítuloprocuraapresentarosconceitosrelativosàsemissõesdeCO2eoutrosgasescomdecisivaparticipaçãonoaquecimentoglobal,bemcomoomercadodecréditosdecarbono,astaxaambientaiseaexperiênciadospaísesqueseadiantaramnesseprocesso.

ConceitossobreCO2eoutrosgasesdeefeitoestufa

Embora frequentemente citado com sentido negativo, o efeito estufa é um fenômeno natural edeterminanteparaqueavidapossaexistirnaTerra:osgasespresentesnaatmosferaabsorvemparte

da radiação infravermelha emitida pela superfície terrestre, retendo o calor. O problema queatualmenteseverificadizrespeitoaodesequilíbrioqueseverificaporcontadetaxadeliberaçãodecertosgasesnaatmosfera,emgrandepartedevidoàaçãoantrópica.

Os principais gases que compõem o chamado efeito estufa (GHG, Greenhouse Gas) são odióxidodecarbono(CO2),ometano(CH4),oóxidonitroso(N2O)eosclorofluorcarbonos(CFC).Osóxidosdenitrogênio(NOx),omonóxidodecarbono(CO),oshalocarbonoseoutrosdeorigemindustrial como o hidrofluorcarbono (HFC) e o perfluorcarbono (PFC) também são exemplos degasesdeefeitoestufa.

De acordo com Freund (2005), o dióxido de carbono é um composto químico presente naatmosferaempequenasquantidades (370ppmv– [partespormilhãoemvolume])eque representaumaposiçãovitalnoambienteterrestrecomoumingredientenecessárioaociclodevidadeplantaseanimais. Durante a fotossíntese, as plantas assimilam o CO2 e liberam oxigênio; as atividadesantropogênicas que causam a emissão de dióxido de carbono incluem a combustão de produtosfósseis e de outros materiais que contenham carbono, assim como a fermentação de compostosorgânicos.

Odióxidodecarbonoapresentadiversosusos,sendomanufaturadotantoporgrandesempresasdo setor de produção de gases industriais quanto por empresas que o obtêm comomatéria-primaintermediáriaparaaproduçãodeprodutosquímicos.Aseguir,apresentam-sealgunsdosprincipaisempregosdoCO2(Freund,2005):

–indústriaquímica:oCO2éusadonasíntesequímicaeparacontrolartemperaturasemreatores,alémdeserempregadoparaneutralizarefluentesalcalinos.OprincipalusoindustrialdoCO2

é na produção de ureia, como fertilizante.Grandes quantidades deCO2 são empregadas namanufatura de carbonatos inorgânicos e uma pequena fração é usada para a produção demonômerosorgânicosepolicarbonatos.Ometanoléproduzidoempregando-seumprocessoquímico que utiliza o CO2 em combinação com outras matérias-primas. O CO2 é tambémutilizadonamanufaturadepoliuretanos;

– indústria farmacêutica: o CO2 é utilizado para prover atmosfera inerte em síntese química,extração supercrítica de fluidos, acidificação de resíduos aquosos e para transporte deprodutosembaixatemperatura(-78°C);

–indústriadealimentosebebidas:éempregadonacarbonataçãodebebidas,noempacotamentodealimentos,comofluidocriogêniconoresfriamentooucongelamentodealimentos,comogelosecoparacontroledetemperaturaduranteadistribuiçãodealimentoscongelados;

– indústria de celulose e papel: usado para melhoria do pH de celulose mecânica ouquimicamente reciclada, após o branqueamento alcalino, pode ser empregado tambémparaaumentarodesempenhodasmáquinasdeproduçãodepapel;

– indústria eletrônica: o CO2 é empregado, dentre outras coisas, para o tratamento da águaresidualecomomeioderesfriamentonosequipamentosdetestedeequipamentoseletrônicos;

–outrosusos: comomeio de insuflamento intra-abdominal em procedimentos cirúrgicos, paraexpandir o espaço entre órgãos e permitirmelhor visualização; em extintores de incêndio;controledopHdelíquidosefluentes.

Odióxidode carbono é o principal agente damudança emvista do tempode dispersãomuitolongoedaquantidadegeradapelasatividadesantropogênicas.Ometano,emboratenhaperíodocurtode permanência na atmosfera, possui expressiva contribuição no aumento do efeito estufa porque

absorvemaiorquantidadedocalorirradiadopelaTerra.Calcula-sequeometanotenhaumpotencialdeaquecimentoatmosférico25vezesmaiordoqueodióxidodecarbono.12Osóxidosnítricos,emmenor proporção, também têm a mesma característica de reação fotoquímica com a luz solar,promovendoaformaçãodeozôniodebaixaaltitude,oquetambémcausasériosproblemasàsaúdehumana.

DeacordocomoCommitteeonScience,EngineeringandPublicPolicy(1991),otempodevidanaatmosferaparaoCH4édedezanos,enquantoparaoCO2édecinquentaaduzentosanos,parao

N2Oéde150anos,13ede65e130anos,respectivamente,paraCFC-11eCFC-12.Ometanoéoprincipalcomponentesdogásnatural,geralmenterespondendopor80%domesmo

emvolume(Freund,2005).Afontenaturaldemetanoestánospântanos,emborafontesdeemissãodeorigemantropocêntricacontribuamdeformasignificativa,comoosvazamentosdetubulaçõesdegásnatural, processos de fermentação de resíduos orgânicos derivados da criação de bois e outrosanimais,emanaçõesdeaterrossanitários,dentreoutros(Houghton,2005).

Oóxidonitroso(N2O)éumgáscompotencialdeefeitoestufaaproximadamentetrezentasvezes

maiorqueoCO2;sendoquimicamenteinertenatroposfera,14oóxidonitrosoalcançaaestratosfera,ondeédestruídoporfotólise,formandoNO,queéumadasespéciesquímicasquecontribuemcomadestruiçãodac,amadadeozônio(Gutierrezetal.,2005).SegundoreferênciascolhidasporGutierrezetal.(2005),acontribuiçãoantropogênicaparaoaumentodeN2Opresentenaatmosferarefere-sede50%a70%aousodaterraeprocessosagrícolas,15%a25%aosprocessosindustriais,e15%a25%àsfontesmóveiseestacionáriasdecombustãofóssil.

Osclorofluorcarbonossãocompostosquímicosdesenvolvidospelaindústriaquímica,comusonaindústria de refrigeração e em latas de aerossóis (Houghton, 2005). Seu uso intenso na década de1980 elevou os níveis dessas substâncias na atmosfera, resultando em problemas de abertura dacamadadeozônio(O3).Porcontadessefato,oProtocolodeMontreal,em1987,deliberouacercadadescontinuidadenasuaproduçãoeumgradualprocessodesubstituiçãoedestruição.

Separaçãoesequestrodecarbono

Aseparação15eosequestrodeCO2consistemnatécnicaderetirartalgásdefontespoluentesoudaatmosferaeacumulá-loemlocais isoladosondeogásnãovoltea tercontatocomaatmosfera.EssatécnicapodeseraplicadaemváriospontosdeorigemdeCO2,e,quantomaioraconcentraçãodo gás na fonte, mais viável se torna o processo. O objetivo de tais processos é principalmenteestabilizar o nível deCO2 atmosférico; isso tem sido induzido através domercado de créditos decarbono,quecorrespondealicençasdepoluiçãoalinhadascomoqueépreconizadonoProtocolodeQuioto.

Existemdiferentesvertentestecnológicasparaosequestrodecarbono;umadelaséaquetrataderetirar o gás do ar atmosférico mediante o plantio de árvores por sua absorção no processo decrescimento vegetal. Esse processo vem sendo realizado em diversos países em desenvolvimento,principalmente China e Índia, mas também no Brasil, gerando licenças de emissões relativas acréditos de carbono. A outra vertente consiste em retirar o gás de agentes que iriam lançá-lo naatmosfera. Nesse caso, o processo consiste na separação, compressão e transporte do gás para a

estocagem,quepodesernooceano,emformaçõesgeológicas,formaçõesdecarbonetosouparaousoemprocessosindustriais.

OtransportedoCO2geralmenteérealizadoatravésdetubos,utilizandoamesmatecnologiaquehoje é empregada para o transporte de petróleo, podendo eventualmente ser transportado por vianaval, quando seu custo não se revela proibitivo. Com relação à estocagem do CO2, quandoarmazenadoemformaçõesgeológicas,atecnologiautilizadaéamesmaempregadaparaaextraçãodepetróleoegásnatural,istoé,pode-seinjetaroCO2quefoicapturadonessesdepósitosàmedidaqueogáseopetróleosãoextraídos;outrapossibilidadeéaestocagemdeCO2emformaçõessalinas.

Quandoaestocageméfeitanooceano,duasvertentesestãohojeemestudo:atravésdainjeçãoedissolução do CO2 na água, podendo ser injetado por meio de um tubo fixo ou um navio emmovimento (abaixo de 1000 m). Outra opção é a injeção através de tubo fixo ou plataformaeliminando-seoCO2 abaixode 3000m, condição emqueoCO2 se tornamais densoque a água,formandolagosdeCO2(Metzetal.,2005).AFigura3.1ilustraaformapropostaparadissoluçãodoCO2nooceano,eseriadissolvidonaáguadomarsedispersoemprofundidadesinferioresa3000m,e ficaria retido na forma líquida se disposto em profundidades inferiores a essa, visto que a suamassaespecíficaémaiorqueadaáguanessacondição(IPCC,2005).

Para se analisar a viabilidade de um projeto de estocagem de carbono, deve-se levar emconsideraçãoadistânciaentreocentrodeorigemdessepoluenteeolocalparasuaestocagem,vistoqueoscustosdetransporte,assimcomodeinstalaçõesparaquepossaserefetuadootransportesãoelevados.Deve-setambémcompreenderquefontescomerciais,residenciaiseosetordetransporte,quesãofontesdegrandepartedoCO2emitidoparaaatmosfera,nãoconstituemfontespotenciaisderesgate de carbono, pois têm por característica pequenas emissões individuais e por estarem emmovimento.

Figura3.1–FormasdedisposiçãodeCO2emoceanosFonte:IPCC(2005).

SegundoMetzetal.(2005),60%doCO2 jogadonaatmosferatêmcomoorigemgrandesfontesestacionárias.Contudo,nemtodasessasfontessãoviáveisparaoresgatedecarbono.Alémdisso,amaioriadas fontesdeemissão temconcentraçãodeCO2menorque15%,menosde2%das fontespossuem concentração maior que 95%, e tais fontes são mais interessantes, pois aumentam aviabilidade do processo, visto necessitarem apenas de desidratação e compressão no estágio decaptura.

Deve-se ter emmentequeo sistemade capturadoCO2 requer umaquantidade significativa deenergia para sua operação, o que reduz seu rendimento.O custo de produçãode eletricidadeparaunidades comcaptura deCO2 encontra-se entreUS$0,04 e 0,09/kWh, enquanto para umaunidadesemcapturaomesmocustoseencontranafaixaentreUS$0,03e0,06/kWh,sendotalacréscimonocustoreflexosomentedoprocessodecaptura(Metzetal.,2005).

Além dos custos de captura ainda existem os custos de transporte e estocagem do CO2, quedependemdadistânciaedovolumeaseremtransportadoseaindaseosdutosserãosubmarinosouterrestres.Todosessesfatorespodemaumentarsubstancialmenteocustodetransporte.Poucospaísespossuemleisparatratarespecificamenteaquestãodaestocagemdecarbono.Sendoassim,osEstadospossuemodireitoderealizaremestocagemdecarbono,porémsãoresponsáveisporpossíveisdanosambientaisqueessesvenhamacausar.

Quando se estuda a possibilidade de se estocar CO2 em formações geológicas deve-se atentartambémparaosriscosquetalaçãopodetrazer,poisexisteapossibilidadedeocorreremvazamentos,oquepodeprejudicartantoemumaspectolocalcomonoglobal.Emrelaçãoàestocagemnooceano

aindanão estão totalmente esclarecidos os riscos que essa açãopode causar; sabe-se queoCO2 ésolúvelemágua,existindoassimquantidadesdeledissolvidasnaságuasdosoceanos.Aquantidadedessegásdissolvidonaságuasdependedeumequilíbrioentreaatmosferaeooceano.QuandoseaumentaaproporçãodeCO2naatmosfera,aumenta-seaproporçãodelenooceano.

OsriscosdesseprocessosedevemànaturezaácidadoCO2;assim,aosediluirtalgásnooceano,elepodealteraropHdaságuas,causandoimpactossobreavidamarinha(Metzetal.,2005).OCO2

pode ainda ser usado na indústria ou transformado em carbonatos sólidos inorgânicos. Oscarbonatossãoformadosnaturalmente,massobumritmolento;entretanto,reaçõesquímicaspodemacelerar esse processo para que se possa fixar uma maior quantidade de carbono. Depois deformadososcarbonatoseassílicas,elespodemserdispostosemminasdesilicatosoureutilizadosnaconstruçãocivil.

ComoconcluiMetzetal.(2005),modelosdecapturaeestocagemdeCO2sãoprojetosaindaemestudo,modelosqueaindaestãoemfasedematuraçãoepossuemumcustorelativamentealto,alémde contarem com alguns possíveis riscos ambientais que ainda não estão totalmente esclarecidos.Porém,acredita-sequenospróximosanosaestocagemdoCO2podesetornarumaopçãoviávelparaasoluçãodoproblemáticoacúmulodogásnaatmosfera,vistoqueasleisqueregulamasemissõesgasosasestãosetornandomaisrigorosaseoscustospelaemissãodecarbonosemostramcrescentes.

Omercadodecréditosdecarbono

Para incentivar a participação dos países em desenvolvimento nos acordos do Protocolo deQuioto, estabeleceu-se um mercado de créditos de carbono mediante práticas denominadasmecanismos de desenvolvimento limpo (CDM, CleanDevelopmentMechanisms). Pormeio de talestrutura, um país em desenvolvimento receberia créditos de carbono por utilizar uma tecnologiamenospoluenteouutilizaruma fonte energética renovável; por suavez,países industrializados (elistadosnoAnexo1doProtocolodeQuioto),aocompraremtaiscréditos,compensariamasprópriasemissõesdeCO2,reduzindoocustodesuaadesãoaoreferidoProtocolo.

De modo a contextualizar os mecanismos de desenvolvimento limpo, de forma simplificadaapresentam-seos fatosqueoprecederam;deacordocomRocha (2003), em1992estabeleceu-seaConvenção Quadro das Nações Unidas sobre Mudanças Climáticas (UNFCCC, United NationsFrameworkConventiononClimateChange),duranteaConferênciadasNaçõesUnidassobreoMeioAmbiente e o Desenvolvimento (ECO-92), com o objetivo de propor ações para que os paísesindustrializados estabilizassem as concentrações atmosféricas dos gases de efeito estufa. Nasequência,foramrealizadasdiversasconferênciasdaspartes(COP,ConferenceOfParts),dentreasquaissedestacaaqueserealizouemQuioto,em1997.Emtalconferênciaseestabeleceuumacordoque definia as metas de redução das emissões de gases de efeito estufa para os países comcompromisso de redução desses gases, assim como critérios e diretrizes para a utilização demecanismosdomercado.

O mecanismo de desenvolvimento limpo encontra-se descrito no Artigo 12 do Protocolo deQuiotoeestabelecequecadatoneladadeCO2deixadadeseremitidaouretiradadaatmosferaporumpaís emdesenvolvimentopoderá sernegociadanomercadomundial.De igualmodo, as empresasque não conseguirem ou não desejarem reduzir suas emissões podem comprar Certificados de

EmissõesReduzidas (CER)empaísesemdesenvolvimentoeusá-losparacumprirsuasobrigações(Rocha,2003).

Os principais projetos redutores da emissão de carbono no contexto dos mecanismos dedesenvolvimento limpo seriam relativos a aterros sanitários e de esgotamento sanitário, eficiênciaenergética,substituiçãodecombustíveiseenergiasrenováveis,melhoriadeprocessosprodutivosenosetordeusodosoloeflorestas(Dubeux;Simões,2005);comoseveránopróximocapítulo,sãoessesostemasdeinteresseparaocontextodopresentetexto.Projetosdessanaturezacomportariamvalores referentesàdemandaporcréditosdecarbonoestimadospordiferentes fontescomosendovaloresentreUS$8e32portoneladaequivalentedeCO2(NAE,2005;Oliveiraetal.,2006).

DeacordocomAguiareBalestieri(2007),ametodologiadoIPCC(IntergovernmentalPanelonClimateChange) para o cálculo dos gases do efeito estufa computa o valor da emissão deCO2 apartirdoteordecarbonodoscombustíveis,sendocompostaporquatropassosusadosnocálculodoscoeficientesdeemissão:

a)Conversão para TJ (terajoule): O fator de conversão de TJ para tonelada equivalente depetróleo(tep)propostonareferidametodologiaempregaocoeficienteA(eq.3.1).

(3.1)

sabendo-sequeaconversãopadrãoéde1000tepparacada41,8680TJ.ATabela3.1ilustraosvaloresdocoeficienteAparadiferentescombustíveis.

Tabela3.1–FatoresdeConversãoTJ/1000tep

Fósseislíquidos

Petróleo 42,96

Gásnaturalliquefeito 42,96

Gasolina 42,96

Querosenedeaviação 42,96

Querosenedeiluminação 42,96

Óleodiesel 42,96

Óleocombustível 42,96

GLP 42,96

Nafta 42,96

Asfalto 42,96

Lubrificantes 42,96

Coquedepetróleo 42,96

Outrosprodutossecundáriosdepetróleo 42,96

Outrosprodutosnãoenergéticosdepetróleo 42,96

Fósseissólidos

Carvãometalúrgico 42,96

Carvãovapor 42,96

Alcatrão 42,96

CoquedeCM 42,96

FósseisgasososGásnatural 40,70

Gásderefinaria 40,70

Outrasfontesprimáriasfósseis 42,96

Biomassasólida

Lenhaparaqueimadireta 42,96

Lenhaparaproduçãodecarvão 42,96

Bagaçodecana 42,96

Resíduosvegetais 42,96

Carvãovegetal 42,96

Biomassalíquida

Caldodecana 42,96

Melaço 42,96

Álcoolanidro 42,96

Álcoolhidratado 42,96

Lixívia 42,96

Biomassagasosa 40,70

Nota:tep=toneladaequivalentedepetróleo.Fonte:C&TBrasil(2002).

b)Multiplicaçãopelofatordeemissãoparacalcularoteordecarbono:OIPCCfornecefatoresde emissão (em toneladas de carbono por TJ) para líquidos e sólidos fósseis primários esecundários, gás natural e biomassa sólida, líquida e gasosa, valores que são representadospelocoeficienteB(eq.3.2).ATabela3.2apresentavaloresdofatordeemissãodecarbono,deCO2epodercaloríficodosdiversoscombustíveis.

(3.2)

c)Correção para carbono não oxidado: A fração de carbono oxidado (sendo C a fração decarbonooxidadodoenergético)parao carvão,opetróleo eogásnatural é expressapelosseguintesvalores:

carvão: C=0,98;

petróleoeseusprodutos: C=0,99;

gás: C=0,995;

d)Conversãodo carbonooxidadopara emissãodeCO2:Multiplicando-se o fator de conversãopelofatordeemissãoparaocombustívelempautaepelacorrespondentefraçãodecarbonooxidado,tem-seocoeficientedeemissãodecarbonoemtoneladaportepdecombustível.Parase obter o coeficiente de emissão de CO2 multiplica-se o fator acima pela fração (44/12),razãoentreamassamoleculardoCO2edocarbono(eq.3.3).

CoeficientedeemissãodeCO2=A.B.C.

(3.3)

Tabela3.2–Fatordeemissãonosetorenergético

Combustível Podercaloríficoinferior(MJ/tcombustíve l)

FatordeemissãodeC(kgC/kg combustíve l)

FatordeemissãodeCO2

(kgCO2/kg combustíve l)

Combustíveisfósseislíquidos

Combustíveisprimários

PetróleobrutoOrimulsion

42,71*27,50

0,85420,6050

3,13492,2240

Combustíveissecundários

GasolinaQuerosenedeaviaçãoOutroqueroseneÓleodexistoGas-oilFuel-oilresidualGLPEtanoNafta***BetumeLubrificantes***CoquedepetróleoMatériaprimarefinada***Outrosprodutosdepetróleo***

44,8044,5944,7536,0043,3340,1947,3147,4945,0140,1940,1931,0042,50*40,19

0,84670,86950,87710,72000,87530,84800,81370,79780,90020,88420,80380,85250,85000,8038

3,10753,19113,21902,64243,21223,11222,98642,92803,30373,24492,94993,12873,11952,9499

Combustíveisfósseissólidos

Combustíveisprimários

AntracitaCarvãodecoqueOutrocarvãobetuminosoCarvãosub-betuminosoXistosbetuminosos

26,59*29,30*26,59*17,16*9,40

0,71260,75260,68600,44960,2735

2,61532,77432,51871,65001,0039

Combustíveissecundários

Gásdecoqueriaoudealto-forno 26,05 0,8275 3,0368

Combustíveisfósseisgasosos

Gásnatural 56,74** 0,8681 3,1860

Fonte:AdaptadodeAntunes(2000).Nota:ParaaTabela3.2valemasseguintesobservações:1)Valorescom(*)válidosparaPortugal;valorcom(**)baseadoemdadosdeComgas(2006);valoresem(***)referem-seavaloresautilizaratéexistiremfatoresdeemissãoespecíficos;2) “A emissão deCO2 pode ser obtida pelamultiplicação dos resultados obtidos para o carbono pelo fator 3,67, conformeWilson(1990)ePenneretal.(1992).Issoseexplicapelofatode12molesdecarbonoseconverteremem44molesdeCO2”(Balestieri,1994)3)composiçãodogásnaturalemComgas(2006):91,80%deCH4,5,58%deC2H6,0,97%deC3H8,0,03%deC4H10(i-butano),0,02%deC4H10(n-butano),0,10%deC5H12,1,42%deN2e0,08%deCO2.PCIde36454kJ/m

3emassaespecíficade0,6425kg/m3.

De acordo com a European Environment Agency (EEA, 2007), define-se tonelada de CO2

equivalente como sendo umamétrica para amedida comparativa das emissões entre vários gasescausadoresdoefeitoestufa,baseadoemseupotencialdeaquecimentoglobal(GWP,GlobalWarmingPotential).OseuvaloréobtidopeloprodutoentreavazãodogásemanálisepelovalordeGWPaele associado. A Tabela 3.3 apresenta valores do potencial de aquecimento global dos principaisgasescausadoresdoefeitoestufa,deacordocomoIPCC.Nelaseobservaquealgunsvaloresentreaediçãode1996e2001sofreramrevisãoporpartedesseórgãodasNaçõesUnidasresponsávelpelaanálise e acompanhamento da questão ambiental, comaumento do peso em alguns componentes ereduçãoemoutros.

Tabela3.3–Comparaçãodospotenciaisdeaquecimentoglobal(GWP)segundoIPCC

Componente GWP(1996)a GWP(2001)b

Dióxidodecarbono(CO2) 1 1

Metano(CH4) 21 23

Óxidonitroso(N2O) 310 296

HFC-23 11700 12000

HFC-125 2800 3400

HFC-134ª 1300 1300

HFC-143ª 3800 4300

HFC-152ª 140 120

HFC-227ea 2900 3500

HFC-236fa 6300 9400

Perfluorometano(CF4) 6500 5700

Perfluoroetano(C2F6) 9200 11900

Hexafluoretodeenxofre(SF6) 23900 22200

Notas: (a) Intergovernmental Panel on Climate Change,Climate Change 1995: The Science of Climate Change (Cambridge, UK:Cambridge University Press, 1996); (b) Intergovernmental Panel on Climate Change, Climate Change 2001: The Scientific Basis(Cambridge,UK:CambridgeUniversityPress,2001).Fonte:IPCC(2002).

AmétricautilizadaparaocálculodoCO2equivalenteapresentacontestações.EmconsequênciadaconferênciaocorridaemBali,naIndonésia(COP-13,de4a14dedezembrode2007),discute-seseoíndiceGWPéadequadoparaessetipodeanálise.Argumenta-sequeelemedeapenasaquantidadederadiaçãoqueé retidanaatmosferapelamoléculadeumdeterminadogás,oquenão representarianecessariamenteoquantocadaumadessasmoléculascontribuiparaasmudançasclimáticasnolongoprazo;seuscríticoscitamaindaque,paraumamelhoravaliação,serianecessárioumequivalentedetemperatura.OutropontodecríticadizrespeitoaovalordeGWPconsiderado,poisseargumentaqueofatorde21ou23entreoGWPdometanoedodióxidodecarbonoseria,emverdade,umfator5,isto é, a influência do metano sobre o aquecimento global estaria superdimensionada (Escobar,2007).

Instrumentosdecontroleambiental

Acombustãoéumprocessogeradordeelementospoluentesparaaatmosferaequeestápresentenageraçãotérmicadeenergia.DeacordocomHolandaeBalestieri(2000),

oprocessodecombustão,queéamplamenteempregadonageraçãodeenergia,constitui-senumareaçãoquímicaexotérmicaemuitorápidaentrecombustíveleoxidante;emgeral,oselementosquímicos presentes nos combustíveis e responsáveis pela liberação de calor são carbono,hidrogênioeenxofre.Entretanto,faz-senecessáriocompreenderatravésdareaçãoCxHy+aO2→bCO2 + cH2O que a incineração do mais simples recurso natural (combustível) emitirá, nomínimo,poluentestaiscomogáscarbônico(CO2)evapord’água(H2O(v)).Porestarazão,nãosefalahojeemgeraçãodeenergiasemestarverdadeiramentepreocupadocomadegradaçãoqueamesma possa causar ao ambiente. Assim, é preciso que se pague não só pelo uso do recursoenergético, mas também pelo controle das emissões de poluentes atmosféricos (através dainstalação de tecnologias de controle) numa tentativa de se buscar a minimização dos danos

ambientais.

Osinstrumentosderegulaçãodireta–tambémconhecidoscomopolíticasdecomandoecontrole–atuampormeiodeespecificaçãode limitesparaaemissãodepoluentes,equandoessesnãosãoobedecidos,acarretammultasaoagentepoluidor.Osinstrumentosderegulaçãodiretaagemsobre:

–ocontroledeequipamentos(exigênciadeinstalaçãodeequipamentosantipoluição);–ocontroledeprocessoseprodutos;–aproibiçãoourestriçãodeatividadesemcertosperíodosdodia;–ocontroledousoderecursosnaturaisporfixaçãodecotasdeextração.

A política de comando e controle, pelo seu caráter punitivo, tem elevada eficácia ecológica.ComoafirmaAlmeida(1998),tem-seprivilegiadocomamplopredomínioousodeinstrumentosderegulaçãodireta,conformeatestamestudosempíricosinternacionais.

DeacordocomHolanda(2003),“regulamentaçõesdecomandoecontrolesãoaquelasqueforçamas empresas a agirem numa mesma direção, isto é, se baseiam principalmente em padrões dequalidadedoar,limitesmáximosdeemissão,licenciamentodeatividadespoluidorasezoneamento”;sãoexemplosdessaformadeabordagemaslimitaçõesnoconteúdodeenxofredoscombustíveiseaobrigatoriedadedoempregodecertastecnologiasparacasosdeterminados.

Emoposição – continua essemesmo autor – “mecanismos econômicos designam-se, em geral,àquelas políticas que, em lugar de basearem-se no comando e no controle, envolvam incentivos;incluem-seaíosimpostos(emvezdaproibição)sobreatividadescomdanosambientais,leilõesdecotasnegociáveisdepoluição,dentreoutros”,equetêmsidopreferidos.Comrespeitoàaplicaçãodosmecanismoseconômicos,osistemadecotasapresentacomoexemplodeprogramaimplantadocomsatisfatóriosucessooCleanAirActAmendments,sistemaparacomercializaçãodecompostosdeenxofreimplantadonosEstadosUnidos.16

Uma das importantes questões no que diz respeito ao impacto da consideração dos custosdecorrentes dessas penalidades nos custos da energia é a forma como elas são geradas e/ouconsideradas de um elenco de valores previstos em legislação; a literatura é convergente nesseaspecto (Frangopoulos; Caralis, 1997; Borchielini et al., 2000a,b). Nas palavras de Holanda eBalestieri(2001),“nosistemadeimpostosapoluiçãoéreduzida,impondo-seaosagentespoluidorestaxasouencargosquesãobaseadosoranaquantidadedepoluiçãoquegeram,ora,emalgunscasos,naquantidadeesperadaoupotencialdepoluiçãodosmesmos”.

Umadasgrandesdificuldadesdesefazerusodetaxasconsistenatarefadeseatribuirumpreçoaum bem ambiental; porém, existem metodologias que assim fazem, baseadas, por exemplo, naestimativadequantoasociedadeestariadispostaapagarparaqueumdeterminadobemficasselivrede poluição. Muitos economistas sugerem que a “taxa verde” seja um valor uniforme sobre apoluição,postoque,seassimnãoofor,areduçãodapoluiçãonãoalcançaráacondiçãodemínimocusto,vistoqueasociedadesempreconsegueobterreduçãodecustostrocandoaresponsabilidadedareduçãodepoluiçãodeumpoluidoraltamentetaxadoparaoutrofracamentetaxado,istoé,gruposdeinteressecomoasempresasaltamenteintensivasemenergiaconseguemseorganizarmelhorqueoscidadãoscomuns,eassimastaxaspagasporessesúltimoschegamaseralgumasvezesmaiselevadasdoqueaquelapagapelaindústriaemgeral(Svedsenetal.,2001).Há,também,aquestãodoimpactode tais taxas sobre aquestão social e odesemprego (Koskela;Schöb, 1999), temaque extrapola apresenteanálise.

Osinstrumentoseconômicostêmcomopontodevistaprincipalqueospoluidoresdevemsofreroônuspelapoluiçãogeradaoureceberganhospordeixardepoluir.Portanto,tambéméumamaneirade incentivar amudança de posição de agentes poluidores, para que assumam iniciativas visandoproduzirbensoumateriaiscombaixoíndicedepoluição.

Nessecontexto,éconcebidoomercadodelicençadepoluiçãonegociável,noqualseenquadraomercadodecréditosdecarbono,quevemsendoaplicadoemdiversospaísesemdesenvolvimento,inclusive no Brasil. Nesses mercados é instituído um nível de poluição admissível em umdeterminado lugar e divide-se esse total em cotas de poluição, e tais cotas podem ser negociadasentre as empresas poluidoras, em processo similar ao praticado a partir do Clean Air ActAmendments.Umdosatrativosdaslicençasdepoluiçãoéqueessasconseguemcombinaracertezadaregulaçãocomaflexibilidadedomercado,permitindoàsempresasdecidiroqueémaisvantajosoparaelas,ouseja,deixardepoluirevendersuascotas,oucontinuarpoluindoecomprarnovascotas.

Aexternalidadedecorredofatodeaproduçãoouconsumodebensgerarefeitosaoutremeessesnão serem contemplados na estrutura formal de custos, pelo que é denominado “custo externo”,comoexpostoemAlmeida(1998).Quandosepoluiacimadoqueoambientepodeabsorvertêm-seefeitoscumulativosdepoluentes,oquegeraaexternalidade,queéumcustoexternoaodeproduçãoque geralmente não é agregado ao produtor; chega-se então à conclusão de que, para reparar osdanos ambientais, deve-se ter uma intervenção governamental, de modo a internalizar asexternalidades.NaspalavrasdeHolandaeBalestieri(2001),

[...]segundoFerreiraeBajay(1997),otermoutilizadopelaeconomianeoclássicaparaexpressaros impactos sociais e ambientais é externalidade, no sentido de que eles são externos àstransaçõescomerciais.Amonetarizaçãodestasexternalidadesdáorigemaoscustosexternosoucustos sociaiseambientais.Logo,pode-seconstatarqueo sistemade impostos fazcomqueasempresas ‘internalizem’ as suaspróprias externalidades criadasno cursodaproduçãoe, sendoassim,qualqueresforçoparaqueistoaconteçaexigequeoscustosdaproduçãosejamcalculadosapartirdedoiscomponentes:custosprivados(custosdecapital,operaçãoemanutenção)ecustosexternos.

Para que se tenha uma ordem de grandeza de tais custos, apresentam-se a seguir valoresmonetários para as externalidades ambientais propostos por El-Kordy et al. (2002), discriminadosportipodepoluenteatmosféricoduranteageraçãodeenergia:US$5,66/kgparaSOx,US$2,29/kgparaNOx,US$3,31/kgparaparticuladoseUS$0,018/kgparaCO2.

Parapermitirmaior sensibilidadeaoquede fato representamasexternalidadesdecorrentesdasemissões atmosféricas no contexto da estrutura de custos de geração de energia registram-se osvalores sugeridos por El-Kordy et al. (2002) em seu estudo (Tabela 3.4). Observa-se que, sem asexternalidades,o cicloavaporqueimandoóleocombustível representaumdosmenorescustosdegeração, fatoqueé revertidoquandoseassociamoscustosexternosambientais; jáparao sistemafotovoltaicoeeólicoasexternalidadespoucorepresentam.

Tabela3.4–Fatoresdecustoemdiferentesformasdegeraçãodeenergia

Custo(emcentavosdedólar/kWh)

Sistema,combustível semexternalidade comexternalidade

vapor,óleovapor,gásnatural

1,59281,3804

5,42562,4300

conjuntoagás,dieselconjuntoagás,gásnaturalcombinado,gásnaturalfotovoltaicoenergiaeólica

2,84382,50381,480713,78201,7616

5,42664,00852,355513,96121,8085

Fonte:El-Kordyetal.(2002).

Aexperiênciade seoperaruma reforma tributáriabaseadaem taxas ambientais foi iniciadanaComunidadeEuropeianoiníciodadécadade1990.DeacordocomDresneretal.(2006),oempregode taxas ambientais aumenta os tributos voltados ao uso dos recursos naturais, uso de produtospoluentesoumesmoquecausempoluição,enquantoreduzoutrastaxas,emespecialasqueincidemsobre os empregos. Nesse contexto é que surge a expressão “duplo dividendo”, baseado noargumentodequemaiorestaxassobreaenergiairãoreduziroseuuso,eemconsequênciareduzirapoluição, enquanto menores taxas incidentes sobre o trabalho irão reduzir a pressão sobre oempregoecontribuirparareduzirodesemprego.

Büsgen e Dürrschmidt (2009) fazem uma análise de taxas ambientais existentes na Alemanha,informando que em 1o de janeiro de 1991 a estrutura tarifária de incentivo à geração renovável(StrEG,Stromeinspeisungsgesetz) foi implantada,sofrendo três revisõesduranteadécadade1990,sendo substituída em1o de abril de 2000 por um novomarco legal (EEG, Erneuerbare-Energien-Gesetz)quesofreuemendasem1odeagostode2004eem1odejaneirode2009.AUniãoEuropeia,sobapresidênciada representantealemãemmarçode2007,aprovoucomometaparaoano2020umaparticipaçãode20%deenergiasrenováveisnoconsumoenergéticoglobaldaUniãoEuropeia.AaplicaçãodaEEGnaAlemanharepresentouumaumentodeparticipaçãodeenergiasrenováveisde6,3% em 2000 para 14% em 2007. A estrutura tarifária vigente prevê reduções paulatinas deremuneraçãoao autoprodutor ao longodo tempo,umavezque remuneraçõesmaisgenerosas sãogarantidasaosquenosprimeirosmomentosdavigênciadanovalegislaçãoselançamàempreitada,bemcomodiferenciaçãoportipodefontedeenergia.

EpílogodoCapítulo3

Nopresentecapítulopretendeu-seapresentarodióxidodecarbononoatualcontextoambiental–sua contribuição ao efeito estufa, em conjunto com outros compostos químicos; os valorescomparativos do potencial de efeito estufa dos mesmos e a forma de se compor uma métrica“equivalente”, ponderada apenas no CO2; o mercado de créditos de carbono que se formou emsequência à elaboração do Protocolo de Quioto. Foram apresentados, ainda, os instrumentosdisponíveisparaocontroleambiental.

Dentrodessecontexto, apresenta-senopróximocapítuloumadiscussãoacercadenovas fontesenergéticas alternativas, focada no aproveitamento de disponibilidades decorrentes da geração deresíduos pela própria existência de vida sobre a face da Terra, permeadas pelas principaistecnologiasdeconversãooradisponíveisparaasmesmas.

12Essenúmeroéporvezesrelatadocomosendo21(Rosa,2003),23(Keppler;Röckmann,2007)etambém25paraumhorizontedetempodecemanos(IPCC,2007).Ovalortemsidorevistodetemposemtempos,combaseemnovasevidênciascientíficas.

13Gutierrezetal.(2005)estimamtempodevidaentre110e150anos.Deigual,taisvalorestêmsidoeventualmenterevistos.14Aatmosferaécompostaporcamadas–troposfera(dezeroa12km),estratosfera(de12kma50km),mesosfera(de50kma80km),termosfera(de80kma500km)eexosfera(de500kma800km)–taisdistânciasvariamsegundodiferentesfontes.

15ComentáriossobretécnicasdeseparaçãodearedeCO2sãoabordadosnoCapítulo6.16Essaleinorte-americana,de1990,representouaprimeiralegislaçãoambientalaincorporarumprogramadeincentivoaummercadodecotasnegociáveis,emâmbitonacional,paraemissõesdeSO2.

4FONTESCOMBUSTÍVEISALTERNATIVAS

“Todoolixodesuacasavaiparaalgumlugar.Osencanamentosdeesgotosãotransportadoresdelixo.Quandovocêfazcocôouxixiedáadescargavocêficacomailusãodequecocôexixidesapareceram.Desapareceramdasuavista.Foramparaalgumlugar:osriosouomar.”

(Alves,2003,p.72)

Introdução

Fontes renováveis associadas a centrais de cogeração podem não suprir na totalidade asnecessidades energéticas das empresas que empregam essa prática de produção de energia. Noentanto, o emprego dessas fontes pode resultar na redução das emissões atmosféricas e dadegradação dos recursos naturais. É preciso, portanto, avaliar a disponibilidade dos recursosenergéticos e aspectos técnicos (tanto termodinâmicos quanto tecnológicos), econômicos eambientaisdeseusprocessosdeconversãodeenergia.

Algumas opções de aproveitamento energético, como as biomassas (entre elas, os ResíduosSólidos Urbanos (RSU) – também chamados Resíduos Sólidos Municipais (RSM) e de esgoto,resíduos vegetais de origem agrícola e florestal, além de resíduos animais), resíduos dedeterminadosprocessosindustriaiseohidrogênio(quetantoéconsideradocomoum“portadordeenergia”17quantoinsumoparaoutrosprocessosindustriais)devemserconsideradosnaavaliaçãodepotenciais fontes energéticas que facultem a redução das emissões de CO2. Individual oucoletivamente, são opções interessantes do ponto de vista técnico e ambiental, e por isso sãoapresentadasnasequênciaasprincipaisrotastecnológicasparaaproduçãodeenergiaapartirdeles.

Com base nesses aspectos, a proposta deste capítulo consiste em desenvolver estudo dascontribuiçõesexistentesnaliteraturaemtermosdadisponibilidadedefontesenergéticasalternativasque possam ser associadas à cogeração, assim como estabelecer relações funcionais de ordemtécnica (com respeito às taxas de conversão energética), econômica (relativamente a custos deinvestimentoeoperacional)eambiental(comrelaçãoàsemissões)dasfontesenergéticasanalisadas,quepossamserempregadasemmodelagensdeotimizaçãodecentraisdecogeração.

Classificaçãoderesíduosurbanos

Emalgunspaíses,a restriçãodeespaço impõeque rígidaspolíticasde incineraçãode resíduossólidos urbanos sejamefetivadas, emdetrimentodo empregode aterros sanitários.Empaíses quecontamcomumaelevadaocupaçãoterritorial,adecisãopelaincineraçãoéimpositiva,sobpenadeinviabilizar outras atividades de subsistência: em 2005, a densidade populacional do Japão, porexemplo,alcançouamarcade343habitantes/km2(MinistryofInternalAffairsandCommunications,2005),comtaxadeincineraçãopróximade100%(Rosa,2003).18

A taxa média de produção diária de lixo per capita varia entre 0,5 e 2,5 kg, sendo valoresmenoresassociadosacidadesmenoreseosmaioresassociadosagrandescidadesemetrópoles;taldiferençasedeveaoestilodevidaeaoníveltecnológicoalcançadopelasdiversascomunidades.Atítulodeilustração,aFigura4.1apresentaaevoluçãodageraçãodolixonacidadedoRiodeJaneiro.SegundoestatísticasdoIBGE,acidadedoRiodeJaneirotinhaem2005umapopulaçãode6.094.183habitantesemseuterritório(Brasil,2005).DeacordocomSãoPaulo(1998),olixobrasileiro,numaestimativaconservadora,écompostoemmédiapor65%derestosalimentares,25%depapel,5%deplásticos,2%devidrose3%demetais,emanálisegravimétrica.SegundoAbrelpe(2012),oBrasilproduz1,228kg/habitante.diaderesíduossólidosurbanos,commínimode0,905kg/habitante.diaemáximode1,309kg/habitante.dia,respectivamentenasRegiõesSuleNordeste.

Figura4.1–EvoluçãodageraçãodelixonacidadedoRiodeJaneiro.Fonte:Brasil(2005).

Antesquesediscutamasdiferentesopçõesdeconversãoenergéticadosresíduossólidosurbanos,faz-se necessário observar que parte desse material pode ser reciclado, o que permite umsignificativoganhoeconômico,energético,ambientalesocial.Se,porumlado,sedeverealizarumesforço de difusão no seio da sociedade de que a opção em prol da redução do uso dos recursosnaturais seja a mais racional, há que compreender que ela não permite resolver sozinha toda aquestãodaproduçãodolixoedacondiçãofinitadadisponibilidadedosmesmos.19Opresentetextonão tem por objetivo discutir a questão social que é inerente à reciclagem de alguns produtosdisponíveisnolixourbano,muitoemborareconheçasuaimportância.Aobservaçãoapresentadaem

Rosa (2003, p.94) é bastante pertinente para a conceituação de reciclagem, e por isso aquireproduzida:

Emgeral,érecicladoaquiloquegerarenda.Infelizmente,naatualsociedade,tornamo-nostãoeficientesediversificadosqueémaisbarato,paraomodelodominante,produzirbensapartirdamatériaprimavirgemdoquereciclarasucata.Hádificuldadestécnicas,alémdisso.Éocasodoaço,porexemplo.Hámaisdetrintamilgraduaçõesdeligasquenãosãointercambiáveis.Algosemelhante sepassa comoplástico. Isto esclareceporque tanto tempoégastona separaçãodemateriaisantesdareciclagemdefato.

A Figura 4.2 ilustra as possibilidades de processamento dos resíduos sólidos urbanos,estruturadasapartirdediversasfontesdereferência,cominterfacesemrelaçãoaoprocessamentodeesgotoenaproduçãodehidrogênio.

Figura4.2–ProcessamentoeprodutosobtidosapartirderesíduossólidosurbanosFonte:AdaptadodePipattieSavolainen(1996);Fioruccietal.(2003);KüçükeDemirbaş(1997);Kumar(2000).

De acordo com Fiorucci et al. (2003), considerando-se todas as possibilidades de conversãoobservadas naFigura 4.2, do total de resíduos sólidos urbanos que entra em semelhante estrutura,fraçõesdavazãodeentradasedistribuememcadaumadasunidadese,umavezquecertaparcelaédestinadaaumadeterminadaformadeprocessamento,elaapresentaumadestinaçãoespecíficaquepermitiráquecertosprodutosfinais,enãooutros,sejamobtidos.

Os resíduos sólidos urbanos, se destruídos sem maior processamento, caracterizam o que se

convencionou chamar “queima emmassa”. Nesse caso, um processamentomínimo para removercertos itens não combustíveis pode ser admitido, e não há geração de energia a ela associada. Oaterramentosanitário,comoseobservanaFigura4.2,podeserrealizadotantoantesquantoapósaseparação mecânica dos resíduos sólidos urbanos. Após a separação mecânica de produtosrecicláveis, obtém-se um produto passível de processamento energético, que é o “combustívelderivadoderesíduo”,RDF(ResidueDerivedFuel);alémdoprocessamentoenergético,destaca-seaobtenção de outros produtos de valor comercial e/ou ambiental, como a produção de compostosorgânicosefertilizantes,água tratada,produtosquímicos(comoetanol, fenol, furfural,20vanilina,óleo,gás,alcatrão).

Asrotasdeconversãodebiomassas,segundoKüçükeDemirbaş(1997),podemserestruturadaspelos processos térmicos (termoquímicos), bioquímicos e químicos; no casodos resíduos sólidosurbanos, todasessasrotassãoobservadas,earotaquímicaéaquelacorrespondenteàfermentaçãoporhidrólise,naFigura4.2.Pode-seobservarqueageraçãodeenergiaéobtidaapartirdacoletadegasesematerrossanitários,porincineração,piróliseougaseificação(associadasounão)doRDF.OempregodeRDFparaproduçãodehidrogênioépropostoemWallmanetal.(1998),assimcomooemprego de resíduos sólidos urbanos em cocombustão com resíduos de esgoto (combustãocombinada,ouco-firing)constamdotrabalhodeWerthereOgada(1999).

AFigura4.3apresentaosprincipaisprocessosdetratamentodoesgotodomésticoquepermitemageraçãodeenergia,bemcomooutrosprodutos,comoáguatratadaemetanol.

Figura4.3–ProcessamentoeprodutosobtidosapartirdosresíduosdeesgotoFonte:AdaptadodeWerthereOgada(1999).

Noprocessamentodoesgotocomvistasàgeraçãodeenergiadestacam-seadigestãoanaeróbica,a incineração, a cocombustão e os processos alternativos, nos quais se encontram a pirólise e agaseificação.Ointer-relacionamentoderesíduossólidosurbanoscomaproduçãodehidrogênioé

apresentadonaFigura4.4.

Figura4.4–ProcessamentoeprodutosobtidosapartirdaproduçãodehidrogênioFonte:AdaptadodeWallmanetal.(1998).

O problema decorrente da produção de resíduos sólidos urbanos e de lodo de esgoto exigeintervençõesenergéticaeambientalmentesustentáveis.Alémdisso,oBrasilcontacomumagrandebiodiversidade, além de dispor de grandes áreas agricultáveis, o que o coloca em uma posiçãobastantefavorávelcomrelaçãoaoaproveitamentodebiomassasagrícolaseflorestais,bemcomodeorigem animal. Nos itens que seguem, procuram-se evidenciar tais aspectos para cada uma daspossibilidadesaventadas.

Tecnologiasdeconversãoderesíduossólidosurbanoselododeesgoto

Aconstantepreocupaçãomundialacercadodeclíniodasreservasdepetróleo,docarvãoedogásnatural, bem como a instabilidade de preços que se verifica ao longo do tempo e ao sabor decondiçõessociaisegeopolíticas,temlevadoospaísesabuscaralternativasenergéticas,comespecialênfasenaproposiçãodetecnologiasrenováveis.

NosdizeresdeHughes(2000,p.462),

apotênciageradaapartirdebiomassautilizatecnologiasdecombustão,oquepoderiafazercomque fosse tomada por uma ‘tecnologia não verde”. Desenvolvimentos correntes incluem atecnologia da gaseificação; o emprego de gaseificadores não apenas aumenta a eficiência dageraçãodeenergiacomcicloscombinados;elestambémpermitemedemandammaisprofundonível de controle de emissões se comparado com tecnologias de combustão direta. Muitoscombustíveis derivados de biomassas apresentam significativamente menores potenciais depoluição do ar se comparados amuitos carvões. A biomassa virtualmente não possui enxofre(geralmente menos de 1/100 do carvão), possui baixa taxa de nitrogênio (menos que 1/5 docarvão) e baixo conteúdo de cinzas. Existem exceções, mas que podem ser identificadas econtroladas.Comparadoaogásnatural,contudo,abiomassanãopodealegarqualquervantagememtermosdeemissões,excetoparaaquelasquecontribuemparaoefeitoestufa.

Comoapresentado,algumastecnologiasdeconversãoenergéticaederecursossãorecorrentes,participandodediferentesrotastecnológicas,quaisquerquesejamasfontesenergéticasconsideradas.Dessemodo, apresentam-se,na sequência, informações técnicas sobre asprincipais tecnologiasdeconversãoenergética.

Incineraçãocomproduçãodeenergia

Deacordocomaagênciadeproteçãoambientalnorte-americana(EPA,EnvironmentalProtectionAgency),incineraçãoéadestruiçãoderesíduossólidos,líquidosegasosospelaaplicaçãodecalornumsistemadecombustãocontrolada(Cohen,2004).Brunner(1994)complementaadefiniçãoacimaafirmandoque“incineraçãoéoprocessodedestruiçãotérmicanoqualoresíduoédegradadoaumaforma não putrescível pela aplicação e manutenção de uma fonte de calor”. Distinguem-se duastecnologiasnoprocessodeincineração(Kumar,2000):

1) queima em massa (mass burning), tecnologia em que os resíduos sólidos urbanos sãodestruídos semseparaçãosignificativadocombustível.Realizadaprincipalmenteapartirdoempregodefornosrefratáriosefornosrotativos,osistemacontacomgrelhasquepermiteainjeçãodearsobreoleitoeumagrandediversidadedeformasdealimentaçãodoforno;

2)queimadeRDF, resultadoda separaçãodo resíduo sólidourbanoque corresponde apenas àparte combustível. O RDF é um produto homogêneo e que, processado para ter suasdimensões reduzidas, apresenta facilidade de combustão, podendo ser comercializado ouqueimadoemcaldeirascomleitofluidizadocirculanteouborbulhanteemcentraisdegeraçãode energia (Waste-To-EnergyPlants,WTE), demandando baixo excesso de ar e permitindoqueosequipamentosoperemcomeficiênciasmaioresqueaqueimaemmassa.

Hádois tiposbásicosdecaldeirasde leito fluidizado,asde leitoborbulhante (BFBC,BubblingFluidizedBedCombustion)ede leitocirculante (CFBC,CirculatingFluidizedBedCombustion).A

fornalha de uma caldeira de leito fluidizado apresenta paredes verticais com piso dotado dedistribuidores de ar, pelos quais se insere o ar primário da combustão de modo mais ou menosuniforme.Noscasosemquesefaznecessáriaadiçãodearsecundário,esseéintroduzidoemseçãosuperior;quandooaréinserido,oleitoemrepousoassimsemantématéqueaquedadepressãoneleseintensificacomoaumentodavelocidadedoarinjetado.Quandoaquedadepressãoseigualaaopeso do leito por unidade de área, o leito é suspenso e por ação da vazão de ar começa a semovimentar,cessandodeafetardemodosignificativoaquedadepressão;diz-se,então,queoleitoseencontrafluidizado.

Acombustãoemcaldeirasdeleitofluidizadopodeseroperadacomtemperaturasbemabaixodatemperatura adiabáticade combustãode cada combustível, demodo típico, entre 800 °Ce900 °C.Algumasdasrazõesparaqueessatemperaturasejamenorincluemoslimitesdasparedesdeáguadoevaporador e dos componentes expostos aos gases de combustão, o abrandamento de cinzas e acaptura de enxofre pelo calcário adicionado. Para que semantenha uma temperatura no leito bemabaixodoníveldetemperaturaadiabática,cercademetadedocalorresultantedacombustãodeveserextraído;nasBFBCissoéfeitoportrocadoresdecalorouparedesdeáguaresfriadas,enquantonasCFBCsãoempregadasobstruçõesnasparedesdafornalha,noloopderecirculação.

Naoperação típicadeumacaldeirade leito fluidizado,o combustível eo calcáriooumaterialinerte são alimentados continuamente, ao passo que as cinzas são retiradas continuamente. Umaspecto particularmente importante está no fato de que, com a queima em leito fluidizado, astemperaturasempregadasparaadestruiçãodosresíduossólidosurbanosficamnaordemde815°Ca870°C,bemabaixodatemperaturamínimanecessáriaparaaqueimadessesmesmosprodutoscomtecnologiasconvencionais,daordemde980°C(Anthony,1995),demodoaasseguraradestruiçãode gases orgânicos e minimizar as emissões de PCDD (Policlorodibenzeno p-Dioxinas) e CDF(Policlorodibenzeno Furanos). As Figuras 4.5 e 4.6 ilustram as caldeiras de leito fluidizadoborbulhanteecirculante.

Figura4.5–Caldeiradeleitofluidizadoborbulhante

Figura4.6–Caldeiradeleitofluidizadocirculante

DeacordocomRosa(2003),aconcepçãomodernade incineraçãoderesíduossólidosurbanosem caldeiras de grelha fixa é baseada em uma queima controlada num sistema que envolve duascâmarasdecombustão,sendoaprimáriaareceptoradiretadoresíduo,comtemperaturasentre500°Ce900°C.Aalimentaçãodeoxigênioésubestequiométricaparaseevitaremgradienteselevadosdetemperatura, minimizando a volatilização dos metais (chumbo, cádmio, cormo, mercúrio, dentreoutros)presentesnolixo,assimcomoaformaçãodeóxidosnitrosos,quesurgemcomtemperaturasmaiselevadas.21AsunidadesWTEoperam tipicamenteentre30MWe100MWdecapacidadedegeraçãoelétrica(Malkow,2004).AFigura4.7ilustraosistemadeduplacâmaradoincinerador.

Figura4.7–Esquemadeincineradordeduplacâmara

Aassociaçãodeconjuntosagáscomcaldeirasconvencionaistendoporfornalhaumincineradorde resíduos sólidos urbanos é uma possibilidade a ser considerada por representar melhoria deeficiênciaenergéticaemaiorpotencialdeproduçãodeenergia (Otomaetal.,1997).Abaseparaaproposituradetalconfiguraçãoestánociclocombinadogás/vapor,eacaldeiraderecuperaçãodesseé substituída pela estrutura de geração de vapor composta de incinerador e superaquecedor,conformeFigura4.8,considerandoapossibilidadedeempregodascondiçõesexpressasnaTabela4.1.AFigura 4.9 ilustra o ciclo combinado integrando conjuntos a gás, caldeira de recuperação eincinerador,concepçãoqueapresentaamaioreficiênciaexergética,segundoBalcazaretal.(2013).

Figura4.8–Configuraçãodeciclocombinadocomqueimaderesíduossólidosurbanos

Resíduossólidospodemserincineradosouprocessadosdemaneirasimilaracertoscombustíveisconvencionaispelofatodeapresentaremcomposiçãopróxima,excetopelagrandeconcentraçãodeoxigênioeumidadeencontrada.ATabela4.2apresentaacomposiçãodosresíduossólidosurbanosde Altoona, na Pennsylvania, Estados Unidos, em conjunto com valores de referência paracombustíveis convencionais, para que o poder calorífico e a composição dos resíduos sólidospossamsercomparados.

Tabela4.1–Característicasdosistemadegeraçãocomresíduossólidosurbanos(Otomaetal.,1997)

Potênciadoconjuntoagás(MW) Pressãodovapor(MPa) Temperaturadovapor(°C)

6 3,2 320

15 4,8 370

40 6,2 420

Figura4.9–ConfiguraçãodeciclocombinadointegradoaincineradorderesíduossólidosurbanosFonte:Balcazaretal.(2013).

Tabela4.2–Análisedeparâmetrosparacombustíveisconvencionais.

CombustívelUmidade MaterialVolátil CarbonoEquivalente Cinzas H C N O S

PoderCalorífico(kJ/kg)(%)

Turfa 91,0 5,4 3,0 1,6 5,7 58,0 1,20 35,0 0,11 1267

Madeira – 81,5 17,5 1,0 6,3 52,0 0,10 40,5 – 9496

Bagaçoorgânico 35,0 – – – 6,1 47,3 – 35,3 – 9644

Resíduosmunicipais* 43,3 43,0 6,7 7,0 8,2 27,2 0,70 56,8 0,10 5096

Licornegro 23,2 – – 10,2 7,2 30,9 0,50 51,2 0,20 5645

Carvãobetuminoso 4,0 40,8 52,0 7,2 5,5 76,7 1,35 7,4 1,85 14676

Óleocombustível 0,1 – – – 14,2 85,0 – – 1 21524

Fonte:AndersoneTielman(1977).*Ovalordependedoteordeumidadeedacomposição,podendovariarentre5.000e10.000kJ/kg(Holanda,2003).

Demodosimplificado,Cohen(2004)propõequeaestruturaC6H10O4sejausadaparaaproximara

composiçãoquímicadetodososcompostosorgânicos,entendendo-seaquirelativamenteaoRDF.22Quandoocorreacombustãonapresençadeoxigênioemquantidadesuficiente,cadamoldeC6H10O4

gera 6 moles de CO2. Assim, a taxa molar de 1:6 (kmolcombustível/kmolCO2) poderia ser usada paraexplicarosaspectosambientaisnegativosassociadosàsemissõesqueocorremnaincineração.Klein(2002,p.13-15)apresentaaestruturaquímicaC6H10O4comobaseparaestudoscomresíduossólidosurbanosesclarecendoasbasesnasquaisamesmafoiobtida:apartirdaestruturadolixodescritaporTchobanoglousetal.(1993),queregistra34,0%depapel,6,0%decartões,7,0%deplásticos,2,0%detecidos,1,0%deborracha,couroeoutros,2,0%demadeira,2,0%deresíduosdejardim,9,0%deresíduosalimentarese17,5%devidrosemetais,Themelisetal.,(2002)modelaramaspropriedades

termodinâmicas dos componentes dos resíduos sólidos urbanos, obtendo as composiçõesmoleculares:

Papéismistos: C6H9,6O4,6N0,036S0,01

Plásticosmistos: C6H8,6O1,7

Resíduosmistosdealimentos: C6H9,6O3,5N0,28S0,2

Resíduosdejardim: C6H9,2O3,8N0,01S0,04

De acordo comBiniecka et al. (2005), o conteúdodeCO2 obtido na destruição de um resíduosólidourbano,deacordocomaorientaçãodoIPCC(IntergovernmentalPanelonClimateChange)para1toneladaderesíduo,podesercalculadopelaequação(4.1),umavariantedaequação(3.3).

(4.1)

sendo:

CO2,processo

:emissõesdeCO2,em(tco2/tRSU);

CT:conteúdototaldecarbononoresíduosólidourbano(%);

CF,%:conteúdototaldecarvãocomoporcentagemdoconteúdototaldecarbono;

EC

:eficiênciadacombustãocomoporcentagemdecarbonoconvertidoemCO2;

44/12:razãoentrekmoldeCO2ekmoldeC.

ParaosvaloresdiscriminadosnoIPCCGuidelines,deacordocomoartigocitado,ouseja,CT=33%, CF,%=30% e EC= 95%, a relação apresenta um valor de 0,345 tco2/tRSU; não há, entretanto,qualquerobservaçãosobreacomposiçãodoresíduo.ApropósitodeseempregaracomposiçãodeCohen(2004),queatribuiC6H10O4àestruturadoRDF,umaanáliseestequiométricarevelariavalordaordemde1,81kgCO2/kgRDF.ATabela3.2apresentafatoresdeemissãodeCO2paraumadiversidadedecombustíveis.

Tecnicamente, a incineração de RDF reduz demodo significativo o volume dematerial a seraterrado e libera calor de elevada temperatura, o que torna interessante seu aproveitamento emcentrais geradoras de potênciaWTEpara produzir vapor e eletricidade; no entanto, as eficiênciastérmicas dessas unidades ficam na faixa entre 10% e 15% (Otoma et al., 1997), bem como énecessário limitar a temperatura a 850 °C com tempo de residência de 2 segundos, ou, demodoalternativo,1.000°Cetempoderesidênciade1segundo(McKay,2002).

AefetividadedoprocessodedestruiçãodoRDFestá relacionadaàcombinaçãode três fatores,conhecidospor3T,asaber:temperaturanafornalha,tempoderesidênciadosprodutosdecombustão

natemperaturadafornalha,eturbulênciadosgasesnafornalha.Desses,apenasatemperaturapodeser significativamente controlada do ponto de vista operacional, ou seja, após a construção dafornalha.Otempoderesidênciaeaturbulênciadoescoamentodosgasessãofixadosnoprojetodoequipamento,podendosercontroladosemumafaixalimitadaapartirdavariaçãodataxadeentradadear(Brunner,1994).

As emissões de dioxinas23 podem ser minimizadas, com formação de dibenzodioxina edibenzofurano policlorados em concentrações inferiores a 0,1 ng/m3 (referido ao valor tóxicoequivalente),seasseguintescondiçõesforemalcançadas(McKay,2002):temperaturadecombustãosuperior a1.000 °C; turbulêncianacâmaracomnúmerodeReynolds superior a50.000; tempoderesidência da combustão superior a 2 segundos; temperatura de pós-combustão obtido comresfriamentorápidode450°Ca200°C;empregodesistemasdecontroledapoluiçãodoar(lavadorde gases semisseco, filtros de manga e injeção de carbono ativado); controle de processo comsistemaautomatizado,comintertravamentosedesligamentoautomáticodaalimentaçãoderesíduossólidosurbanos.

Outrosproblemasdeordemambientaldecorremda incineração,deacordocomCohen(2004):emissãodeSO2,HCl,bifenilpoliclorados,VOC(compostosorgânicosvoláteis–VolatileOrganicCompounds), material particulado, dioxinas e metais pesados são encontrados nos resíduos dascinzas.Deacordocomtalautor,omaterialparticuladocommenosde1µmdediâmetroéomaisprejudicialàsaúdehumanaeinfelizmenteosequipamentosdecontroledapoluiçãodoarsãoapenascapazes de filtrar material particulado de 0,25 µm ou mais de diâmetro, lançando as partículasmenoresqueessevalornaatmosfera,asquaispodemeventualmenteentrarnoorganismohumano;ossistemasdefiltrosemincineradoresapenascoletariampartículasmaiores,tendendoaterumníveldeeficiênciadecoletaentre5%e30%.

Uma importante questão para a análise da incineração diz respeito ao baixo poder caloríficoapresentado pelos resíduos sólidos urbanos, que isoladamente podem não se mostrareconomicamente viáveis (Brunner, 1994).Nesses casos, a queima compartilhada (cocombustão) semostra uma interessante alternativa. A queima compartilhada de biomassa vegetal com outroscombustíveiséumapossibilidadeinteressanteparaoempregoderesíduoscomofonteenergética.NoentenderdeTillman(2000,p.365-6),

aqueimacompartilhadaéapráticadesuplementarumcombustíveltomadoporbasedosistematérmicocomoutrocombustívelnãosimilar,[...]éumafamíliadetecnologiasqueincluiamisturade biomassa com carvão no seu reservatório, injeção de biomassa em separado na caldeira egaseificaçãodabiomassaparasubsequentequeimanumsistemadegeraçãodeenergia.

Aliteraturaregistra,alémdojácitado,outrosartigosacercadequeimacompartilhadadecarvãoebiomassas,dealguminteresseparaumamelhorcompreensãodesseprocesso,mormenteporseroprimeiro combustível uma fonte energética muito presente na geração termelétrica dos EstadosUnidos(Hughes,2000;Sondrealetal.,2001).

Existem,noentanto,limitestécnicosparaaaplicaçãodaqueimacompartilhadadebiomassacomoutroscombustíveis;deacordocomSondrealetal.(2001),asaltasconcentraçõesdesílica,potássioe clorode certasbiomassasherbáceaspodem representardeposições e corrosãoparaprocessodecombustãoemcaldeiras.Outraimportantelimitaçãoéafraçãodebiomassaquepodeserenviadaaospulverizadoresdeumacaldeiracomqueimadecarvãobetuminoso,correspondenteamenosde4%

emmassa,oucercade2%emtermosdeconteúdocalorífico.Nessecontexto,Hughes(2000)apontaaquestãodaquedadeeficiênciadascaldeirascomooutro

fator limitante para a queima compartilhadade biomassa, citando testes e cálculos que confirmamumaquedade0,3%a1,0%naeficiênciatérmicatípicadessesequipamentos(aproximadamente85%a90% para caldeiras a carvão) quando se emprega de 7% a 10% de conteúdo térmico derivado debiomassa,muito embora reconheça que a penalidade tende a ser necessariamente baixa quando seconsideraobaixocustodabiomassa.Numexemploemqueconsidera2%debiomassaparaqueimaem mistura contra 10% de biomassa para queima em separado, ambos em conteúdo térmico, econsiderando-setaisvalorestípicosparacaldeirasquequeimamcarvãopulverizado,omesmoautorassinalamenorescustosoperacionaisedeinvestimentoparaaqueimaemmistura.

Em termos de custos de investimento, a queima em massa apresenta custo médio de US$106.000/tpd(toneladapordia),numafaixaquevaideUS$30.000aUS$210.000/tpd;paraaqueimade RDF, a variação seria de US$ 75.000 a US$ 102.000/tpd (Kreith, 1994). Kumar (2000) relatavaloresdeUS$80.000aUS$200.000/tpdparaqueimaemmassaedeUS$85.000aUS$160.000/tpdparaqueimadeRDF.NasunidadesdequeimadeRDF,tomadaemrelaçãoàpotênciaelétricageradaemumciclo comeficiência térmicade27%,Biniekaet al. (2005) reportamvaloresquepermitemestimarcustosdeinvestimentodeUS$4.800/kW(tomadoemrelaçãoàpotênciaelétricagerada).

Kreith (1994) apresenta uma relação para aproximar os custos de investimento de ambas astecnologias,asaber:

Queimaemmassa:CI=0,24985.Cap0,86515,R2=0,871 (4.2)QueimadeRDF:CI=0,053332.Cap1,0782,R2=0,748 (4.3)

sendo CI o custo de investimento, em US$ 106 (referidos a 1991) e Cap a capacidade deprocessamento de resíduos sólidos urbanos, em toneladas por dia (tpd). Entende-se que curvas deregressão como as apresentadas correspondem a aproximações razoáveis para uma avaliaçãopreliminar, mas deve-se atentar que são aderentes a um conjunto de empreendimentos norte-americanos, que deve haver alguma defasagem tecnológica e/ou não leva em conta possíveisoscilaçõesdomercadodeferroeaço,equeaomenosumaatualizaçãomonetáriaénecessária.OsgráficosdaFigura4.10ilustramcustosdeinvestimentoeoperacionaiseminstalaçõesdeincineraçãosugeridosemWorldBank(1999).

Figura4.10–Custosdeinvestimentoeoperacionaiseminstalaçõesdeincineração

Aterrossanitárioscomproduçãodebiogás

Aterro sanitário é o termo utilizado para descrever instalações físicas empregadas para adisposiçãoderesíduossólidoserestosdeoutrosprocessosdegestãodessesprodutosnasuperfíciedoplaneta.A transformação anaeróbicadaporçãoorgânicados resíduos sólidos alocados emumaterropodeserdescritapelareaçãoaseguirapresentada,assumindo-sequeaporçãobiodegradáveldamatériaorgânicaencontra-secompletamenteestabilizadaequeocorreempresençadeumidade

(Tchobanoglous;O’Leary,1994):

(4.4)

Finnvedenetal.(1995)apresentamexpressãomaiscompletaparaummaterialorgânicocontendoenxofre,válidoassumindo-sequecondiçõesanaeróbicasdefinamadegradaçãoeconduzamaumacompleta mineralização, além de que nenhuma porção do material degradado seja usado para asíntesecelular.

(4.5)

Ogásobtidoematerrossanitáriosécompostoporumamisturade50%deCH4,45%deCO2e5%deH2S(Rosa,2003).Osoloondeoaterrosanitárioseráimplantadodeveserimpermeabilizadoeprovido de um sistema de drenagem para coleta de líquidos gerados na decomposição do lixo, ochorume. Dessa forma, evita-se que tais líquidos se infiltrem no solo, contaminando as águassubterrâneas. O chorume coletado deve ser tratado antes de ser descartado. Os aterros sanitáriosdevemnecessariamentepreverumaformadeesgotamentodosgasesgeradosnadecomposiçãodosresíduos sólidosurbanos;24 esses gases possuemgrande concentraçãodemetano, razãopela qualpodemseraproveitadosparaageraçãodecaloroulocomoçãodeveículos.

Oaterrosanitáriocostumaseraalternativatécnicamaisbarataparaadestinaçãodolixo,oquenão significa que seja amais favorável do ponto de vista ambiental. A implantação de um aterrosanitário não exige grandes investimentos por parte das prefeituras, comparativamente a outrasformasdebiorremediaçãodosresíduossólidosurbanos,sendoessaumadasrazõesdeseuusoemgrande escala em todo o mundo. Outra vantagem dessa técnica é o fato de o aterro permitir orecebimento de lixo em quantidades variáveis, o que, principalmente em cidades turísticas, comflutuaçõessazonaisdepopulação,representaumbenefíciosingular.Asprincipaisdesvantagensdosaterros sanitários referem-se ao incômodo que causam às populações vizinhas e aos riscos decontaminação do solo e das águas subterrâneas que oferecem.25 Com técnicas apropriadas ecuidadosnaoperação,taisincômodoseriscospodemserminimizados.

Após o encerramento de seu preenchimento (que deve seguir um controle rigoroso doaproveitamentodosespaçosepreferencialmentepermitira“rastreabilidade”dos resíduos,ouseja,suaorigematravésdarotadecoleta,identificaçãodoveículocoletoredatadecoleta),oaterropoderecebervegetação,podendoaáreaserutilizadacomoparques,quadrasesportivasououtrosusosque

não exijam edificações. Entretanto, durante pelo menos vinte anos após o seu encerramento, umaterrosanitáriodeveterossistemasdecoletadechorumeedegasesembomestadodeconservação,evitandoassimproblemasgravespelafaltademanutençãonosistema.

Estudos visando o aproveitamento dos gases coletados para a geração de energia devem serrealizados caso a caso, e para tanto têm sido desenvolvidos para diferentes localidades (Mendes,2005;Ensinas,2003).Paraumaavaliaçãopreliminar,oBancoMundialpropõequesejaestimadaaporcentagem de resíduos domésticos, de resíduos inertes e a parcela referente aos resíduosindustriaisecomerciais/institucionais(quenãocontribuemparaaproduçãodegasesouosproduzememmenorquantidade,respectivamente)comosquaissedeterminaofatordeajustedacapacidadedoaterro(WorldBank/Esmap,2004).

Naetapaseguinte,oaterrodeveseravaliadocomosecoouúmido,emrazãodaprecipitaçãolocaledacapacidadederetençãodaáguanosolo:deumaformageral,areferênciaemanálisesugerequeo local seja classificado como relativamente seco se a precipitação for menor que 500 mm/ano;relativamente úmido se for entre 500 mm/ano e 1.000 mm/ano; úmido se a área apresentarprecipitaçãosuperiora1.000mm/ano.

Modeloscinéticosdeprimeiraordemsãotambémempregadosparaqueseestimeodecaimentoda disponibilidade demetano no aterro sanitário ao longo do tempo, a partir do ponto em que oaterro é fechado; para isso, emprega-se a relação proposta pela EPA, conhecida como modeloScholl-Canyon(WorldBank/Esmap,2004),conformeequação(4.6).

QCH4,i=kLomie–kt (4.6)

sendo:QCH4,i:aquantidadedemetanoproduzidanoanoiapartirdai-ésimaseçãodosresíduos;k:aconstantedegeraçãodemetano(valorpadrão:0,05);Lo:opotencialdegeraçãodemetano(valorpadrão:170m3

CH4/tresíduo);mi:amassaderesíduodispostonoanoi;

t:onúmerodeanosapósofechamentodoaterro.

De todo o metano produzido em um aterro sanitário, uma estimativa preliminar acusaria quecercade50%érecuperadoequeimado,edaporçãorestantequeéperdida,algoemtornode15%éoxidadonomaterialdacoberturadoaterro(Finnvedenetal.,1995);valorsemelhanteéapresentadoemRosa(2003,p.96).PipattieSavolainen(1996,p.1112)utilizameficiênciade40%paraacoletademetanoematerrossanitáriosnosegundocenáriodeseuestudo.Éumapráticatípicaassumirqueogásgeradonoaterrosanitárioconsistede50%demetanoe50%dedióxidodecarbono,demodoqueototaldegásproduzidoéigualaduasvezesaquantidadedemetanocalculadanaequação4.6.OsvaloresrecomendadosparaasconstanteskeLosãoindicadasnasTabelas4.3e4.4.

Tabela4.3–Valoressugeridosparaaconstantek

TipoderesíduoFaixadosvaloresdek

Relativamenteinerte Moderadamentedecomponível Altamentedecomponível

precipitaçãoanual<250mm>250a<500mm>500a<1.000mm>1000mm

0,010,010,020,02

0,020,030,050,06

0,030,050,080,09

Fonte:WorldBank/Esmap(2004).

Tabela4.4–ValoressugeridosparaaconstanteLo

Categoriadoresíduo Mínimovalor Máximovalor

RelativamenteinerteModeradamentedecomponívelAltamentedecomponível

5140225

25200300

Fonte:WorldBank/Esmap(2004)

AFigura4.11representaacurvadeproduçãodepotênciaelétricaaolongodeumperíododecemanosparaumaterrosanitáriosugeridoparaGuaratinguetá(SP)eregião(Mendes,2005).Observa-sequeacurvaécrescentedemodoquase linearao longodosvinteanosprevistosparaqueoaterroatinjao limitedesuasaturação;apósesse tempo,acurvaapresentacomportamentodecrescentedeacordocomacurvadedecaimentodomodeloScholl-Canyon.Apartirdadisponibilidadedegásdeaterro, calculou-se a disponibilidade energética em termos da potência elétrica útil a serdisponibilizadapormeiodemotoresdecombustãointerna.

Figura.4.11–CurvadepotênciaelétricaútilemhorizontedecemanosFonte:Mendes(2005).

Do ponto de vista técnico, julga-se importante que sejam estabelecidos valores relativos àprodução de gases passíveis de conversão energética em aterros sanitários, ao menos para umaavaliação preliminar. Pipatti e Savolainen (1996, p.1112) apresentam no primeiro cenárioconsideradoemseutrabalhoosseguintesvaloresrelativosàtaxadeproduçãodemetanoematerrossanitários: 60 kg deCH4 por tonelada de resíduo seco, ou 42 kg deCH4 por tonelada de resíduoúmido, ou 214 kg de CH4 por tonelada de carbono orgânico degradável presente nos resíduos.

GuzzoneeSchlagenhauf(2007)estimamquecadaummilhãodetoneladaderesíduosólidourbanoematerrosanitárioproduza11.600m3degás,oqueequivalea0,8MW(elétricos).Maisumavezseobservaquedeveserlevadoemcontaofatodequetaisvalorespodemseraderentesaumoumaisempreendimentos,devendoseuempregosefazercomodevidocuidadodaavaliaçãodecadacaso.

Compostagemelododeesgotocomproduçãodebiogás

Os processos de conversão bioquímica associados à biomassa permitem converte-la em gás,resíduos(compostooufertilizante)eáguapelousodemicrorganismos.Osprocessosbioquímicospodemser(Küçük;Demirbaş,1997):

–fermentaçãoaeróbica,queproduzcomposto,dióxidodecarbonoeágua;–fermentaçãoanaeróbica,queproduzfertilizanteegás(CH4eCO2);e–fermentaçãoalcoólica,queproduzetanol(C2H5OH),dióxidodecarbonoeresíduos.

A compostagem consiste na decomposição biológica de frações orgânicas biodegradáveis deresíduos sólidosurbanosemcondiçõescontroladas; a formaçãodocompostoapartirde resíduossólidosdeesgotoéumprocessobioquímiconoqualadecomposiçãodamatériaorgânicaérealizadapelaaçãodemicróbios,eaaceleraçãodesseprocessoépossívelpeloestabelecimentodecondiçõesadequadasaometabolismodosmesmos.Oprodutofinaldoprocessodecompostageméumamatériaprimasimilaraofertilizante.

Originalmente, acompostagemfoi classificadacomoaeróbica (comapresençadeoxigênio)eanaeróbica(semapresençadeoxigênio)emuitosargumentosemfavordeumaoudeoutraformaoperacional foramapresentados.ParaDiasetal. (1994),aabordagemaeróbicase tornouusualeatendênciaédefinir-secompostagemcomodecomposiçãoaeróbica,queserealizariadeacordocomquatrofasesdistintas,quesesucedemnumaordemdeevoluçãododesenvolvimentodaspopulaçõesdemicrorganismos.Atemperaturadocompostoseelevadacondiçãoambiente(20°C)até75°Cemdezdias,nasduasprimeirasfases,oscilaemtornode60°Cnosprimeirostrintadiasenostrintadiasseguintesatemperaturadecaia20°C.

ParaSlupeketal.(2000),ométodomaisefetivoparaconverterolododeesgotoemcompostoéométodo anaeróbico/aeróbico. O resíduo, depois de retirada a água, é misturado a resíduos quesejamfontesdecarbonoorgânico,comobiomassas,papeloucarvão,cujainfluênciaéessencialpeloimpactoquecausana razãocarbono/nitrogêniodocomposto.Com isso, acelera-sea formaçãodefungos e bolor, diminuindo a concentração em massa de metais pesados no composto a valorespermissíveis,oqueérelevanteparaousodocompostocomocombustível.

Durante o estágio inicial, anaeróbico, a temperatura de entrada do resíduo aumenta até 60 °C,causandoumapasteurizaçãoparcialdosdepósitoseaumentandoonúmerodebactérias.Nosegundoestágio(aeróbico),arésopradosobreaspilhasdecompostosdemodoaaceleraradecomposiçãodoscompostosorgânicos.Umestágioposteriordetratamentopelagranulaçãoeempregodeaditivosartificiaisparaobteralgumtipodefertilizante,oubriquetes,ébastanteutilizado.Nesteúltimocaso,pode-se obter um combustível alternativo com poder calorífico inferior maior que 10.000 kJ/kg(Slupeketal.,2000).

Nem todo o composto produzido é passível de comercialização, seja por dificuldades técnicas(impossibilidadedegarantiadeeliminaçãode toxicidadedocomposto,oque impedeseuempregoemcertasculturasagrícolas,porexemplo),sejapordificuldadesdepenetraçãonomercado(faltade

estrutura de escoamento do produto, descrédito de sua qualidade, preço não compatível com omercado, dentre outros), e tal fato faz que seja utilizado como cobertura de aterros sanitários; noentendimentodePorteus(2001),esseseriaoseuusopredominante.

Emsistemasdeesgoto,éprecisoconsiderar-setantoaproduçãodegásmetanoquantoadolodode esgoto. De acordo com Shen e Zhang (2005), a análise final do lodo de esgoto e de porçõesorgânicasemdecomposiçãoéapresentadadeacordocomosvaloresdaTabela4.5;olododeesgotofoisecoatéquefossealcançadaumaumidadede5%enquantoaporçãoorgânicaemdecomposiçãoatingiu umidade de 4,2%. O poder calorífico superior do lodo de esgoto foi estimado em 20,90MJ/kgeodoresíduoorgânicoemdecomposiçãode15,76MJ/kg.

Tabela4.5–Análisefinaldelododeesgotoeporçãoorgânicaemdecomposição(%)

C H N S O Cl

Lododeesgoto 54,14 7,43 6,04 0,66 31,60 0,13

Resíduoorgânicoemdecomposição 52,74 6,76 1,61 0,11 38,50 0,26

SegundoBrunner(1994),pode-seestimaraproduçãodelododeesgotoàtaxade0,2lb/hab.dia(90 g/hab.dia). É forçoso observar que valor dessa natureza deve ser considerado uma primeirareferência,postoquenãolevaemcontacaracterísticasalimentaresehábitosdapopulação,peloquecertavariabilidadedeveserobservadaquandodaestimativadadisponibilidadedesserecursoparaageraçãodeenergia,26numafaixaentre70g/hab.diaa100g/hab.dia.

Dopontodevistaambiental,ossistemasbioquímicosestão,segundoKüçükeDemirbaş (1997),entre as mais promissoras alternativas ambientalmente sustentáveis para a redução dos níveisatmosféricos de dióxido de carbono; a biomassa pode agir como um reservatório de carbono oucomo substituição direta de combustíveis fósseis sem contribuição líquida de CO2 atmosférico seproduzidode forma sustentável.Pelos resultadosdeSlupeket al. (2000), os fatoresde emissãodeNOx,COeparticulados,relativamenteàqueimade1toneladadebriquetesdecompostosdelododeesgoto,são0,87kgdeNOx/t(~0,09g/MJ),1,13kgdeCO/t(~0,12g/MJ)e0,021kg departiculado/t.

O trabalho de Werther e Ogada (1999) apresenta uma extensa discussão acerca de outrastecnologias empregadas para o processamento dos resíduos de esgoto. Em face da sua citação naFigura4.3,apresentam-senasequênciaosprocessosHERS,SSB,SVZeNoell.

–ProcessoHERS(HyperionEnergyRecoverySystems):sistemaimplantadoemLosAngeles,CA,EUA,paragerenciarerecuperarenergiade405t/diadelododeesgotosecoproduzidopelaestação de tratamento de esgoto municipal; o esquema da Figura 4.12 ilustra o processoHERS,queutilizaolododeesgotoparageraçãodeenergiaemciclocombinadooperandoemcogeração,sendoovaporgeradoenviadoaumaunidadedesecagemdatortadelodo,atravésdoprocessoC-G(Carver-Greenfield),apresentadonaFigura4.13.OcombustívelgeradonoprocessoC-Gcontém87%de lododeesgotosólido,9%deóleoe4%deágua,compodercaloríficode16,7MJ/kga18MJ/kg.

Figura4.12–EsquemadoprocessoHERS

Figura4.13–EsquemadoprocessoC-G

–ProcessoSSB (Siemens Schwel–Brenn): essa tecnologia foi testada em planta piloto emUlm-Wiblingen, sendo a primeira unidade em grande escala comissionada emFurth,Alemanha,com capacidade de 100.000 t/ano com combustão combinada de 22.000 t/ano de lodo deesgoto.AFigura4.14apresentaoesquemacorrespondenteaoprocessoSSB.

Figura4.14–EsquemadoprocessoSSB

–ProcessoSVZ(SekundärrohstoffVerwertungszentrum):tecnologiaalemãnaqualogásformadopelo processo de gaseificação consiste de CO, H2, CH4 e CO2, assim como óleo leve ealcatrão.Ogásélimpopelaremoçãodeóleoleveetar,queégaseificadojuntocomoutrosresíduoslíquidosemtemperaturasentre1.600°Ce2.000°C.Osgasesdesíntesesãousadospara produção de metanol e geração de energia. A Figura 4.15 apresenta o esquemacorrespondenteaoprocessoSVZ.

Figura4.15–EsquemadoprocessoSVZ

–ProcessoNoell:umaunidadepilotofoiconstruídaemFreiburg,naAlemanha,em1979,eumaunidadede130MWencontra-seemoperaçãoemBerlim,Alemanha,desde1988.Oprincipalprodutodesseprocessoéogásdesíntese,queécompostobasicamentedeCOeH2epodeserusado para geração de energia em turbinas a gás. A Figura 4.16 apresenta o esquemacorrespondenteaoprocessoNoell.

Figura4.16–EsquemadoprocessoNoell

A tecnologia Dranco (Dry Anaerobic Composting), desenvolvida na década de 1980 porpesquisadores belgas, disponível a partir da década de 1990 por conta de intrincadas questõesjurídicas,éapontadaporRosa(2003)comoumaalternativaeficazparaseequacionaraquestãodolixourbano.AdiferençabásicaentreatecnologiaDrancoeosdemaisprocessosanaeróbicosestaria

nofatodeelaoperarcomafraçãoorgânicaemestadosólido,com65%deumidade,esomentecomfermentação termofílica, a 55°C, enquanto as demais operam em ambientes aquosos (95% deumidade), necessitando de agitação interna e com fermentação criofílica e mesofílica, comtemperatura máxima de 37 °C. A Figura 4.17 apresenta os fluxos e produtividade da tecnologiaDranco.

Figura4.17–EsquemadefluxoseprodutividadedatecnologiaDrancoNota:FO:fraçãoorgânicacompostável,compostaderesíduosdealimentação,podasdejardins,papéisúmidos.

Gaseificaçãoepirólisederesíduossólidosurbanos

Agaseificaçãodecombustíveissólidoséumprocessorealizadocomoobjetivodeproduzirumcombustível gasoso commelhores características de transporte,melhor eficiência de combustão eque também possa ser utilizado como matéria-prima para outros processos. Consiste em umprocesso de conversão de combustíveis sólidos em gasosos, pormeio de reações termoquímicas,envolvendovapor,arouoxigênioemquantidadesinferioresàestequiométrica.

Umgaseificadorconstaessencialmentedeprocessodepirólise27noprimeiroestágio,seguidodereaçõesdeelevadatemperaturadosprodutosdapiróliseparagerargasesdebaixopesomolecular,como CO, CH4, H2 e N2, cujas proporções variam de acordo com as condições do processo,particularmentesearouoxigênioestásendousadonaoxidação.Ogásentãoproduzidoapresentaumpoder calorífico de 4.200 a 5.020 kJ/Nm3 (Kumar, 2000).28 Uma variante da gaseificação, ahidrogaseificação,consisteemumprocessodegaseificaçãoexotérmiconoqualoshidrocarbonetossãotransformadosemestruturasmaissimples,comoometano,emumaatmosferacomhidrogênio.

DeacordocomPorteus(2001),otermogaseificaçãoéempregadodeformageralparadesignarumamploespectrodeopçõesdeconversãotérmicaderesíduossólidosurbanos,desdeapiróliseaté

agaseificaçãodecorrentedacombustãoparcialdoscomponentescarbônicosdomaterialdeentrada.O processo ocorre nas seguintes faixas: entre 400 °C e 600 °C, na proporção de 60%gás e 40%sólidos; entre 600 °C e 800 °C, com80%gás e 20% sólidos, até atingir entre 900 °C e 1.600 °C,dependendodaquantidadedearouoxigênioempregado.

Acomposiçãodosgaseseaproduçãoconcomitantedecombustíveissólidos(carvão)elíquidoscondensáveisdependemdosseguintesfatores:tipodefornodegaseificação,formadefornecimentode energia ao processo, introdução ou não de vapor de água junto com o comburente, tempo deretenção da carga, sistema de retirada de gases e outros produtos, da matéria orgânica utilizada(Piffer,1999).Demaneirageral,osgaseificadorespodemserclassificadoscomodeleitofixoedeleitofluidizadoequantoàpressãodefuncionamentopodemseratmosféricosoupressurizados.

Osgaseificadoresdeleitofixoapresentamumagrelhaparasustentaromaterialasergaseificadoemanterumazonadereaçãoestacionária.Sãorelativamentesimplesparaprojetareoperar,sendoutilizados para atender necessidades energéticas de pequena e média escala; entretanto, é difícilmanter a temperatura de operação em condição uniforme, bem como assegurar uma misturaadequada do gás na zona de reação. Os dois modelos típicos são o downdraft e o updraft,apresentadosnaFigura4.18.

Figura4.18–concepçõesdegaseificadordeleitofixoFonte:Klein(2002).

Deacordo comKlein (2002), omodelodowndraft não é recomendado para uso com resíduossólidosurbanosporrequerercombustívelcombaixoteordecinzasdemodoaevitarentupimentodosistema,assimcomoporcontadesuadificuldadedesuperarapotênciatérmicade1MWdevidoà

sua seção de passagem para o gás. O modelo updraft apresenta elevada eficiência, mas como atemperaturade saídadogásocorrecombaixa temperatura (abaixode500 °C),ogásproduzidoéricoemalcatrão,oquetornadifícilseuempregoemciclosdepotênciapelaintensanecessidadedelimpezadomesmo.

Osmodelosdegaseificadoresdeleitofluidizadocontamcomumfluxodegás(arouvapor)queépassadoemfluxoascensionalatravésdeumleitocompostodecombustívelsólidoeummaterialinerte(comosílica),queagecomoummeiodefluidizaçãoeprovêooxidanteparaocraqueamentodo alcatrão e para a combustão.O leito fluidizado temas características físicas de um fluido e secomporta como um líquido em ebulição, sendo recomendado para situações em que a potênciatérmica supera 10 MW. Tal como citado anteriormente para caldeiras, as configurações degaseificadores em leito fluidizado podem ser do tipo borbulhante e circulante (Figura 4.19). DeacordocomKlein(2002),umleitocirculantesedistinguedeumleitoborbulhantepornãoapresentarseparaçãodistintaentreazonadesólidosdensoseazonadesólidosdiluídos;aTabela4.6identificaosníveisdepotênciatérmicadecadaumdostiposdegaseificadoresdescritos.

Figura4.19–concepçõesdegaseificadordeleitofluidizadoFonte:Klein(2002)

Tabela4.6–Faixasdepotênciastérmicasdosgaseificadores

Conceitodogaseificador Capacidadetérmica

DowndraftUpdraft

LeitoborbulhanteLeitocirculante

1kW–1MW1,1MW–12MW1,0MW–50MW10MW–200MW

Fonte:MorriseWaldheim(1998).

O gaseificador da Battelle Columbus Laboratories foi desenvolvido com o sistema de leitofluidizadocirculante, indiretamenteaquecido, compressãoatmosféricaeprojetadoparagaseificarmadeira,biomassaepotencialmenteresíduossólidosurbanos;aoseutilizarmadeira,ogásresultanteé livre de nitrogênio e com poder calorífico entre 13MJ/m3 e 18MJ/m3. O gaseificador da TPSTermiska foi desenvolvido na Suécia e licenciado pelaAnsaldoAerimpianti SpA em1989 (Klein,2002).

A Tabela 4.7 ilustra o perfil do gás resultante da gaseificação nesses modelos, empregandoresíduos sólidos urbanos, conforme descrito por Klein (2002); os resultados apresentados para ogaseificador Battelle são baseados em simulação empregando o software ASPEN, a partir deresultadosexperimentaisparaumsistemacominjeçãodevaporecapacidadede10t/diadisponíveisemCraigeMann(2000),enquantoosresultadosdogaseificadorTermiskasãobaseadosemdadosreais de uma unidade em Greve, Itália, no qual a injeção se realizou com ar, com resultados deMorriseWaldheim(1998).

Tabela4.7–CaracterísticasdogásdesíntesedosgaseificadoresBatelleeTermiska(mol%)

Battelle (baseseca)

TPSTermiska

TPSTermiska(basesecasemN)

Temperatura(°C) 826 870 870

Pressão(MPa) 0,17 0,14 0,14

H2

COCO2

H2ON2

CH4

CxHy

21,2043,1713,46xxxx

15,835,85

8,608,8015,659,5045,806,504,90

19,3519,8035,21xxxx

14,6211,02

Fonte:Klein(2002).

Nesse sentido, o artigo de Malkow (2004) apresenta um panorama bastante abrangente dagaseificaçãoderesíduossólidosurbanos,reportando-seaempreendimentoseuropeusquedatamde1983a2001.Seatecnologiadegaseificaçãodecarvãoencontra-seadequadamentedominada,pararesíduos sólidos urbanos e biomassas em geral o desenvolvimento tecnológico ainda apresentadesafiosaseremenfrentadosparaaplenautilizaçãodessatecnologia;umdosdetalhesquefreiamoplenodomíniodagaseificaçãodebiomassasresidenoprópriofatodehaverumagrandediversidadedasmesmas.

Para o caso da gaseificação de resíduos sólidos urbanos, Malkow (2004) identifica dezoitotecnologias,sendoaquiapresentadasdeformasintéticaapenasalgumasdelas,eemespecialasquesugeremvaloresdeconversãodosresíduossólidosurbanosemprodutosdeinteressecomercial:

– pirólise de resíduos em combustão combinada, desenvolvido em 1983 pela BabcockKrauss/Maffei Industrieanlagen GmbH, baseada na combinação de fornos e câmara decombustãoparatratarosresíduossólidosurbanostermicamenteenquantogeravaporemumacaldeiraderecuperaçãodecalorparagerarvaporemturbinasavapore/ouoperaremmododecogeração;

–processoEDDITh,desenvolvidopelaThideEnvironmentS.A.francesaepeloInstitutoFrancêsdoPetróleo(IFP),consisteemumfornorotativoinsufladocomarquente,umreatortubularrotativo para pirólise aquecido externamente com gases de exaustão, uma câmara decombustão com queimadores de baixo NOx e separadores de carvão para recuperação de

metais;esteprocessogera,paracadatoneladaderesíduossólidosurbanos,400kgdegáscom12MJ/kgdepodercaloríficoe240kgdecoque,enquanto51kgdemetais,61kgdeinertes,10 kg de sais e 20 kg de resíduos do sistema de controle de poluição são adicionalmenterecuperados;

–tecnologiaSerpac,desenvolvidopelaBSEngineeringS.A.,afiliadadaSerpacEnvironmentofFrance,consisteempiróliseegaseificaçãodoresíduossólidosurbanosemreatorinclinadocomduas câmaras interconectadas de formato cilíndrico e cônico, seguido pela combustãodosgasesnumacaldeira;

–tecnologiaSiemensSchwel-Brenn,queconsisteemumtubulãorotativoindiretamenteaquecidopor recirculação dos gases de exaustão e um forno de alta temperatura acoplado a umacaldeirade recuperação; talprocessogera,para cada toneladade resíduos sólidosurbanos,gás com 8,4MJ/kg que corresponde a 24,6MWh/t, que é convertido de 330 kWh/t a 600kWh/tdegeraçãoelétricalíquida,2928kgdemetaisferrosos,4kgdemetaisnãoferrosos,17kg a 29 kg de ácido clorídrico, 6 kg a 9 kg de gesso e 140 kg de resíduos de controle depoluição;

–processodeconversãoNoell-KRC, desenvolvido pelaNoell-KRCEnergie-undUmwelttechnikGmbH,consistededoispassosdetratamentotérmico,piróliseacercade550°Cemumfornorotativo externamente aquecido por cerca de uma hora e subsequente gaseificação do gásobtido.

SegundoKlein (2002), a gaseificação apresenta por vantagem sobre a incineração de resíduossólidosurbanosofatodeocorreremumambientecombaixaconcentraçãodeoxigênio,oquelimitaaformaçãodedioxinasedegrandesquantidadesdeSOxeNOx,alémderequererapenasumafraçãodaquantidadeestequiométricadearnecessáriana incineração.Comoresultadodisso,ovolumedegasesdeexaustãoépequeno,requerendoequipamentosdelimpezamenoresecommenorescustos.Alémdisso,agaseificaçãogeraumgáscombustívelquepodeserposteriormenteintegradoacicloscombinados,turbinasagás,motoresdecombustãointerna(diversamentedaincineraçãodosresíduossólidosurbanosemcâmarasduplasoucaldeiras)e,potencialmente,acélulascombustíveis,emtodososcasoscomníveisdeeficiênciabemsuperioresaosalcançadosnaincineração.

No entender deMalkow (2004), a pirólise e, em particular, a gaseificação de resíduos sólidosurbanossemostrammuitoatrativasporreduzireevitaracorrosãoeemissõespelofatodereteremálcalisemetaispesados (comexceçãodomercúrioecádmio),enxofreecloretosnos resíduosdoprocesso, assim como por evitar a formação de dioxinas e furanos e reduzir a formação deNOx

térmicoporcontadasmenorestemperaturasecondiçõesdereduçãonafornalha.DeacordocomKumar(2000),parasegaseificarresíduossólidosurbanosdeve-seprocessá-lona

formadepelletscomdimensãoabaixode5cmeaumidadedevesermantida inferiora20%paramaximizara troca térmica;oRDFpassaentãonoreator térmicoprincipaleaelevada temperatura(entre900°Ce1.200°C)oconverteemgás;removem-seascinzaseogásdeveserentãopassadoemumasériedelavadoresmecânicospararemoçãodochar,dematerialparticuladoedequaisquersólidosquenãotenhamreagidonoprocesso,masquetenhamsidoarrastadosnofluxodogás.Ogáséposteriormenteresfriadoparaatingirascondiçõesadequadasparaserutilizadaemturbinasagás,motoresdecombustãointernaoucaldeiras.

Tochadeplasma

A introdução do artigo deLeal-Quirós (2004, p.1587) é bastante ilustrativa, e por essemotivoaquiapresentada(emtraduçãolivre):

Imagine um processo no qual os componentes inorgânicos de resíduos sólidosmunicipaissejamconvertidosemcoberturasarquitetônicaseblocosdeconstrução,aomesmotempotodooconteúdoorgânicodoresíduosejaconvertidoemgásdesíntese(basicamenteumamisturadeH2

eCO,quaseumcombustível“verde”)eemadiçãosejageradaeletricidade.Alémdisso,pode-seterumsistemaquenãogerecinzasenãopoluaoar,aáguanemosolo,comofazaincineração?Arespostaésim.Atochadeplasmaqueoperacomtemperaturasmuitoelevadas(entre5.000°Ce100.000°C)podeprocessartodosostiposderesíduos:sólidosmunicipais,tóxicos,médicos,comriscobiológico,industrialenuclearcompressãoatmosférica.Efetivamente,oresíduoinorgânicoé vitrificado emmaterial sólido similar a vidro que é empregado paramanufaturar agregadosparaaconstrução industrial (Magnaficationprocess)eosmateriaisorgânicos (plásticos,papel,óleo,bio-materiaisetc.)sãoconvertidosemgásdesíntesecompodercalorífico,combustívelqueé empregado em avançadas turbinas a gás estacionárias para geração de energia elétrica(processo de gaseificação). Cinzas não são produzidas porque a mais de 5.000 °C todas asmoléculas orgânicas são desintegradas e apenas a mistura de H2 e CO permanece a altatemperatura.

Oplasmaéoestadoionizadodamatéria,queéconformadoporumgásquaseneutro,compostodepartículasneutrasecarregadas,queexibemumcomportamentocoletivo;oplasmaéaformamaisabundantedamatérianoUniverso,eéformadosemprequeamatériaordináriaéaquecidaacimade5.000 °C, o que resulta em gases ou fluidos eletricamente carregados. Esses são profundamenteinfluenciados pelas interações elétricas dos íons e elétrons pela presença de um campomagnético(Leal-Quirós, 2004). Os plasmas térmicos estão em equilíbrio termodinâmico local, podendo serdescritospelasleisquegovernamoequilíbriotermodinâmicocomexceçãodaradiaçãotérmica,queemgeralnãoseencontrampresentenamaioriadosplasmastérmicosempregadosparatratamentodemateriais(Bonizzoni,1996).

Oprocessode ionizaçãoocorrequandoumelétron incidente (e–)colidecomumátomoneutroparaproduzirumsegundoelétroneumanion.Deigualmodo,essesdoiselétronscolidemcomoutroátomoneutro,produzindoquatroelétronse três íons;seoprocessocontinua,apósvinteconjuntossucessivosdecolisões,milhõesdeelétronseíonsserãoformadosrapidamente(Figura4.20).

Figura4.20–Processodeionizaçãoemcascata

A principal parte dos plasmas é gerada por descargas elétricas pela passagem de corrente(contínua, alternada ou de alta frequência) através do gás e pelo uso da dissipação de energiaresistiva; com isso, consegue-sequeogás se torne suficientementequentedemodoa asseguraroaltograudeionizaçãonecessárioeacondutividadeelétricarequeridaparasuportarofluxocontínuodecorrente(Bonizzoni,1996).Isso,noentanto,éumadasdesvantagensdatochadeplasma:ousodeeletricidade como fonte energética é bastante intenso e influi decisivamente na atratividadeeconômicadetodooprocesso.

Do ponto de vista construtivo, o arco de plasma é obtido em um canal de alta temperatura,ionizadoealtamentecondutivo,suportadoexternamentepelainjeçãocontínuadeenergiaelétrica;suacaracterísticapeculiaréfornecerumafontedecalorcommassapequenaecontroladaecomelevadaentalpia a um gás de processo num ambiente altamente seletivo (Bonizzoni, 1996); a Figura 4.21ilustraoprincípiodeproduçãodoplasma(Leal-Quirós,2004).

Figura4.21–esquemadeproduçãodoplasma

Astochasdeplasmapodemserprojetadascomarconãotransferidoecomarcotransferido;noprimeiro caso, os dois eletrodos para a geraçãodo arco de plasmanãoparticipamdoprocesso esomentetêmafunçãodegeraroplasma,sendoempregadosparaapirólisederesíduolíquidopelasuafacilidadedemisturacomoplasma.Natochadeplasmacomarcotransferido,umdoseletrodoséumapartedasubstânciaaser tratada,permitindoassimqueelevadosfluxossejamalcançadosnoponto de ataque do arco elétrico, causando a fusão de substâncias que se tornam eletricamentecondutivasemelevadastemperaturas;empregadainicialmenteemprocessosmetalúrgicos,atochadeplasma com arco transferido mais recentemente tem sido proposta para a destruição de resíduossólidos urbanos por alcançar elevadas potências. A Figura 4.22 ilustra os dois tipos de arcos deplasma(Bonizzoni,1996;Leal-Quirós,2004).

Figura4.22–Arcodeplasma(a)nãotransferidoe(b)nãotransferido

DeacordocomLeal-Quirós(2004),osgasesdetrabalhomaisempregadosemtochasdeplasmasão argônio e hélio. Eficiência térmica de 90% pode ser alcançada (sendo essa por definição aporcentagem de potência do arco que deixa a tocha e entra no processo), e a escolha do gás detrabalhoinfluidiretamentenascaracterísticasoperacionaisdatochadeplasma.Potênciascomerciaisdetochasdeplasmasãoencontradasentre75kWe10MW.

Apotênciaelétricarequeridaparaaconversãoderesíduossólidosurbanosemprodutossólidosvitrificados, metais e gás de síntese (CO + H2) varia de 550 a 790 kWh/t, segundo Leal-Quirós(2004);Williams et al. (1996) projetam um valor de 650 kWh/t de resíduos sólidos urbanos paraunidades comerciais, umavezqueaplantapilotode suaanálise situa-se entre850e900kWh/tderesíduossólidosurbanos.Demodotípico,20%doresíduoinicialseconvertememprodutossólidos,eorestanteseconverteemgásdesíntese,quepodeserempregadonageraçãodeeletricidade(Leal-Quirós,2004).

Do ponto de vista ambiental, Leal-Quirós (2004) relata que em experimentos conduzidos pelaWestinghouse envolvendo diferentes tecnologias de gaseificação e/ou vitrificação de resíduossólidos urbanos, combustíveis fósseis e líquidos industriais permitiram concluir que as dioxinasforammedidasemníveisaproximadamentecemvezesmenornatochadeplasmaquenoprocessodeincineração(menorque0,1ng/Nm3medidonogásdachaminé).AFigura4.23ilustraoesquemadeumsistemadetratamentoderesíduostóxicos,deacordocomBonizzoni(1996).

Figura4.23–Esquemadeumsistemaparatratamentoderesíduostóxicos

Análiseediscussãosobreformasdeaproveitamentoenergéticoderesíduos

Umaquestãoquesuscitaalgumapolêmicae,emnossoentendimento,épertinente,dizrespeitoàvantagem que alguns autores atribuem à incineração em detrimento do aterramento, e vice-versa;nessaquestão,emboraastochasdeplasmaeagaseificaçãodebiomassasaindanãotenhamalcançadoograudematuridadenecessária,sãoconsideradasporalgunsgruposcomotecnologiaspromissorasequesuperamasalternativastradicionaisdopontodevistatécnicoeambiental.

NavisãodeRosa(2003),éprecisocaracterizarasalternativasemfunçãodofatodolixojá tersidodispostoounão,ouseja,nocasodejátersidodisposto,arotamaisindicadaseriaarecuperaçãoenergéticadobiogásoriundodadecomposiçãodamatériaorgânicaemalgumsistemadegeraçãodeenergia; de outra forma, para o lixo ainda não disposto existiriam alternativas capazes de reduzirsubstancialmenteaquantidadederesíduosaseremencaminhadosparaosaterros.Alerta,noentanto,que pelo fato de o metano ser de vinte a cinquenta vezes pior30 do que o CO2 (dependendo doperíodoadotado)emtermosdeaquecimentoglobal,algunspaísessobretaxamosaterrossanitáriosporseremmaispoluentesnessesentidodoqueoutrosprocessos.

Pipatti e Savolainen (1996) afirmam que os aterros sanitários e o tratamento de esgoto são asmais importantes fontes de emissão de gases de efeito estufa (GHG – emissions, greenhouse gasemissions) dentre as formas de gerenciamento de resíduos, e respondem por 20% das emissõesglobaisantropogênicasdemetano.Amatériaorgânicadosresíduosdecompõe-se,comotempo,emcondições anaeróbicas em aterros sanitários, emitindo CH4 e CO2 para a atmosfera. Métodosalternativosdegestãoderesíduos,comootratamentobiológicoporcompostagemeaincineração,seriamalternativaspromissorasparamitigarosimpactosdoefeitoestufaporreduziremasemissõesdemetano.31Métodosdetratamentoqueproduzemenergiapodemreduziroefeitoestufaaoevitaro

empregodecombustíveisfósseis;porsuavez,osaterrossanitáriosatuariamcomo“sorvedourosdecarbono”delongaduração.

PipattieSavolainen(1996)concluemseutrabalhoafirmandoqueosaterrossanitáriosapresentamos maiores impactos de efeito estufa, e, ao se realizar a recuperação dos gases gerados nafermentação e sua posterior combustão, obtém-se significativa redução nesses valores; o impactopode ser reduzido ainda mais se a recuperação dos gases não influenciar o total de carbonoarmazenadonoaterroeseacombustãoforassociadaàproduçãodeenergia.

DijkgraafeVollebergh (2004)afirmamqueaterros sanitários são frequentementeconsideradoscomoapioropçãodegestãoderesíduosporempregargrandesáreaseelevadosriscosdeemissõesparaoar,águaesolo,noquesãoacompanhadosporErikssonetal.(2005).Comentamaindaqueháuma preferência em países europeus para o uso da incineração sobre o emprego de aterrossanitários,comparativamenteaosEstadosUnidos,paísnoqualaagênciadeproteçãoambientalsegueuma abordagem hierárquica com preferência para a redução na fonte, seguida porreciclagem/compostagemefinalmenteadisposiçãoemunidadesdecombustãoeaterrossanitários.

Dijkgraaf eVollebergh (2004) lançam sérias dúvidas na política de preferência da incineraçãosobreoempregodeaterrossanitários;emsuasconclusões,assinalamqueasplantasWTE(WasteToEnergy)apenasreduzemocustosociallíquidodadisposiçãofinaldosresíduossecomparadocomaincineraçãosemrecuperaçãoenergética.Seusresultadossinalizamquequandooscustosambientaiseprivadossãoincluídos,ocustototaldoempregodeaterrossanitáriosémenorqueodaincineração.

Na avaliação de Mendes et al. (2004), referente a uma comparação entre a incineração e oaterramento dos resíduos para a cidade de São Paulo com base nametodologia LCA (Life CycleAnalysis), a incineração comdisposiçãode cinzas ematerros sanitários semostrou commenoresimpactosambientaisrelativamenteàscategoriasconsideradasnaanálise(quaissejamoaquecimentoglobal decorrente das emissões de CO2, a acidificação decorrente das emissões de SO2 e oenriquecimentodenutrientesconsequentesàsemissõesdeNO3).Oaterramentodetodososresíduos,uma prática corrente na cidade de São Paulo, apresentou os maiores impactos ambientais dainvestigação,earecuperaçãoenergéticareduziudeformaligeirataisimpactosquandocomparadosparaocenáriosemrecuperaçãoenergética.EmfacedosproblemasdedisponibilidadeenergéticaqueoBrasil eventualmente apresentaparao atendimentoda expansãodoconsumoelétrico,os autoresrecomendamamudançadoaterramentoparaaincineraçãonoestudodecasoanalisado.

Rigamonti et al. (2009) identificaram diversos trabalhos que foram realizados empregandoanálise baseada na análise de ciclo de vida (LCA, Life Cycle Analysis), cujas conclusões foramconcordantesemafirmarqueareduçãodadisposiçãoematerrossanitáriosemfavordoaumentodareciclagemdemateriais egeraçãode energia, dopontodevistade talmétodo, conduzamenoresimpactosambientaiseaummenorconsumoderecursosenergéticos.

Para Björklund et al. (2001), a gaseificação com produção de hidrogênio apresenta umdesempenho tão eficiente quanto a incineração, mas é vantajosa se comparada ao aterramentosanitário.Umargumentofrequentementecitadoparaagaseificaçãoderesíduossólidosurbanosésuaelevada capacidade de recuperação energética. Para tais autores, isso se mostra verdadeiro se agaseificação é avaliada isoladamente, mas isso pode não se aplicar quando analisado sob aperspectiva do sistema; nos cenários analisados, a incineração foi ao menos tão energeticamenteeficientequantoagaseificaçãoderesíduossólidosurbanos.

Biomassasdeorigemvegetaleanimal

A grande diversidade de resíduos agrícolas existente no Brasil faz que tal tema já tenha sidobastanteexploradoemtermosdospotenciaisderecuperaçãoenergéticaviacogeração,emespecialnoquetangeàjáconsolidadaagroindústriasucro-alcooleira;valoresdeconsumoespecífico(kgdevapor por tonelada de caldo, kg de vapor por tonelada de xarope, kg de vapor por kWh, dentreoutros) são conhecidos para este subsetor (Corrêa Neto; Ramon, 2002). No entanto, há quemencionar que algumas informações adicionais, relativas às questões específicas da linha doconhecimentorelativasàsEngenhariasAgrícolaeFlorestalaindadevemserconsideradas.

Os dados de produtividade de certas culturas vegetais disponíveis no Brasil, apresentados emVianna Jr. et al. (2000), em conjunto com os resultados descritos em Vianna Jr. e Vieira (2002),representamumrazoávelconjuntodevaloresquepossibilitacompor,dopontodevistatécnico,umaestrutura de otimização para definição da área de plantio de cada uma das culturas vegetais deinteresse comercial, tendo por função objetivo a maximização da geração de energia a partir deresíduosdisponibilizadoseamaximizaçãodavendadoprodutoagrícolaemsi.

ATabela4.8apresentavaloresreferentesàsafra2001,noBrasil,dediversasculturasagrícolasdeinteressecomercial;observe-sequeforamselecionadosapenasosvaloresdeprodutosagrícolasparaos quais se encontravam disponíveis, nas mesmas referências, valores para a produtividade deproduçãode resíduos, que são apresentadosnasTabelas 4.9 e 4.10.Embora a produtividadepossavariaraolongodotempo,considera-sequeosvaloressejamrazoáveisparaumaprimeiraavaliaçãodadisponibilidadeenergéticadosprodutosagrícolas.

Tabela4.8–Área,produçãoerendimentomédiodeprodutosagrícolas,referidosàsafra2001

Produtoagrícola Área(ha) Produção(t) Produtividade(kg /ha) Estimativadesafra(meses)

AlgodãoarbóreoAlgodãoherbáceoAmendoim(1ae2asafras)Arroz(emcasca)Café(emgrão)Cana-de-açúcarCoco-da-baíaFeijão(1a,2a,3asafras)MamonaMandiocaMilho(1ae2asafras)SojaTrigo(emgrão)

8.637873.617102.4833.141.6302.353.4714.973.253264.7613.448.995157.9291.655.81512.354.85213.930.7441.728.161

2.7622.640.128197.724

10.195.4231.918.233348.148.9591.331.1272.436.34180.834

22.478.70841.439.08637.683.0833.260.834

32030221929324581570004502870651213576335427051187

Nd2,5Nd3,0Nd4,0NdNdNd5,0

4,0(emgrão)3,0(emgrão)3,5(emgrão)

Fonte:ViannaJr.eVieira(2002).Nota:Nd–nãodisponível.

Tabela4.9–Disponibilidadederesíduoseprodutividadederesíduosagrícolas

Produtoagrícola Tipoderesíduo Produtividade(kg matériaseca/kg produto) Podercaloríficoinferior(kJ/kg)

AlgodãoArrozCana-de-açúcarMandiocaMilhoSojaTrigo

CascaPalhaPontaGalhoPalhaPalhaPalha

1,200,380,030,300,550,550,47

138141381496307116Nd

13814Nd

Fonte:ViannaJr.eVieira(2002).Nota:Nd–nãodisponível.

Tabela4.10–Disponibilidadederesíduoseprodutividadederesíduosagrícolas

Produtoagrícola Produtividade Podercaloríficoinferior(kJ/kg)

AlgodãoArrozAmendoimCana-de-açúcarCaféCaféCocoGirassolMandiocaSésamoSoja

0,18kg(casca)/kg(sementecomcasca)0,22kg(casca)/kg(arrozcomcasca)0,25kg(casca)/kg(amendoimcomcasca)0,12kg(bagaço)/kg0,21kg(casca)/kg(cafébeneficiado)0,20kg(polpa)/kg(cafébeneficiado)0,34kg(casca)/kg0,20kg(casca)/kg(sementecomcasca)0,80kg(resíduo)/kg(raízes)0,05kg(casca)/kg0,01kg(casca)/kg

13814963013814177901758013814138141381471201381413814

Fonte:ViannaJr.etal.(2000).Notas:(a)osvaloresprevistosemViannaJr.eVieira(2002)paraacanadeaçúcarsão0,30kgbagaço/kgcanaePCIde9630kJ/kg(b)aborradocafédecorrentedaproduçãodecafésolúvel temprodutividadede4,5kgdeborracom80%deumidadeporkgdecafésolúvel,quedevesersecadoaté25%,quandoapresentaPCIde17160kJ/kg.

ATabela4.11apresentaadisponibilidadedeprodutosagrícolasemtermosdaquantidadeanualderesíduosgeradosporhectare,bemcomoaporcentagemdematériasecaemcadaumdosprodutos;aTabela4.12apresentaacapacidadedeproduçãomédiadebiogásdealgunsprodutosagrícolas,bemcomode trêsoutrasbiomassasde interesseparaageraçãodeenergia (eovinhoto, subprodutodaindústriasucro-alcooleira,representaotemaquecontacommaioratenção,enquantoaaguapétalvezsejaademenorvolumedepesquisanomeiocientífico,nessecampodoconhecimento).

Tabela4.11–Disponibilidadederesíduosagrícolasvegetais

Produtoagrícola Tipoderesíduo Produçãoderesíduos(t/ha.ano) Matériaseca(%)

ArrozCana-de-açúcarFeijãoMandiocaMilhoSojaTrigo

PalhaPalhaPalha

ParteaéreaPalhaPalhaPalha

4,0-6,07,0-13,01,0-1,26,0-10,05,0-8,03,0-4,04,5-6,5

89,023,489,090,490,590,592,5

Fonte:ViannaJr.etal.(2000).

Tabela4.12–Disponibilidadederesíduosagrícolasvegetais

Materialorgânico Produçãodebiogás(m3/toneladadematerialseco)

Restosvegetais

PalhadearrozPalhadetrigoPalhadefeijãoPalhadesojaHastedelinhoRestosdegirassolFolhasdeparreiraFolhasdebatateiraFolhasdeárvore

300300380300359300270270245

Aguapé(seco) 410-350

Vinhoto 15m3/m3devinhoto

Lixourbano 50

Fonte:Nogueira(1986).

OtrabalhodeFreppazetal.(2004)apresentaummodelomistodeotimizaçãolinear-inteiraparaadecisãoacercadaquantidadedecadatipodebiomassaaserqueimada,bemcomodacapacidadedosciclos térmicosqueirãoqueimarasbiomassas,paraproduzirpotência térmicaeelétricacombaseemconsideraçõestécnicas,econômicaseambientais.Osautores,noentanto,nãoapresentamvaloresque permitam a reprodução do modelo apresentado, tampouco comparação com os resultadosanteriormentediscriminados.AdissertaçãodeRodrigues(2002)complementaasideiasapresentadas

emFreppazetal.(2004),ilustrandoumamploconjuntodeinformaçõessobreaculturadecelulose.OestudodoempregoderesíduosagrícolasnageraçãodeenergiaéanalisadoporMüllereCouto(2006)naavaliaçãodopotencialdabiomassaflorestalparageraçãodeenergiaelétricanoBrasilapartirdoempregodoeucalipto.

OestudodesenvolvidoemSantos(2009)eSantosetal.(2010)buscaaumentarasustentabilidadedaagriculturaestabelecendomodelodeplanejamentodaproduçãoagrícolaqueconsideraaspectostécnicos e ecológicos de produção. Para tanto, desenvolve ummodelo de otimização linear pararotação de culturas que leva em conta as principais restrições encontradas no campo, como ainterdição de certas sucessões de culturas, a inserção regular de pousios e adubos verdes, com oobjetivodemaximizaraocupaçãodeáreasprodutivasemqueasrestriçõessãoestendidasàsáreasadjacentes,oudesuprirademandadeumconjuntodehortaliçastendo-sedisponívelumconjuntodeáreasheterogêneas.ATabela4.13acrescentavaloresimportantesparaaanálisedaproduçãodeóleosvegetais apartir deprodutos agrícolas, bemcomo informações sobreo ciclo emesesde safradecadacultura.

Tabela4.13–Disponibilidadederesíduosagrícolasvegetais

Produtoagrícola Origemdoóleo Teordeóleo(%) Ciclop/máx.eficiência Mesesdesafra Produtividade(t/ha)

AbacateAlgodãoAmendoimBabaçuCocoColzaDendêGirassolMamonaSoja

FrutoGrãoGrão

AmêndoaFrutoGrãoFrutoGrãoGrãoGrão

7-3515

40-4366

55-6040-4820

38-4843-4518

7anosAnualAnual7anos7anosAnual8anosAnualAnualAnual

12331212312333

1,3-5,00,1-0,20,6-0,80,1-0,31,3-5,00,5-0,93,0-6,00,5-1,90,5-0,90,2-0,4

Fonte:ViannaJr.etal.(2000).

Observa-sequeparacomporummodelodeotimizaçãoquetenhaporfunçãoobjetivoadefiniçãodacapacidadeótimadeciclostérmicos,aminimizaçãodecustosoperacionais,ouaminimizaçãodasemissões de CO2 na atmosfera, são necessários esforços para a aquisição de informaçõesrelativamente às restrições acerca da sequência de culturas a serem plantadas numa mesma área(rotaçãode culturas), a quantidade de rebrotas permitida para cada espécie vegetal (caso a culturaagrícolaassimopermita),otempodeesperaentredoisplantiosparaamesmacultura,dentreoutros.

Dopontodevistaambiental,emaisespecificamenteemtermosdeemissõesquecontribuemparao efeito estufa, o ciclo da emissão e captura do CO2 somente pode ser considerado fechado se abiomassautilizadacresceàmesmataxadesuautilização(Siemons,2001),oqueequivaleadizerqueobalançoentreoCO2emitidoeoCO2absorvidoénulo;essapremissaimplicanecessariamenteemse considerar que a biomassa é utilizada de forma sustentável (Coelho et al., 2000, p.99). Hughes(2000,p.464)colocatalquestãodaseguinteforma:

Ageraçãodeenergiaapartirdabiomassa,ououtrasformasdeseuempregocomofontedeenergia, resulta emgrandes emissões deCO2 e por vezes outros gases que contribuempara oefeitoestufa,emquantidadesuperioraoqueéemitidopeloscombustíveisfósseisemfunçãodesua mais baixa eficiência. Contudo, esse CO2 deriva de plantações e que foi removido daatmosfera empassado recente, tipicamentedeumanoaumaspoucasdécadas.Comosubstituto

doscombustíveisfósseis,abiomassamitigaoaquecimentoglobalmesmonaausênciadefixaçãode qualquer novo CO2. No caso da energia de grãos, tudo o que se requer é que a biomassaqueimadasejarecolocadanumtemporazoável–deumadezanos–comnovabiomassa.

Alémdisso,ainda identificacomoaproximação razoávelqueaplantaçãodebiomassa requeira5%decombustíveisfósseisparaumadequadosistemaenergéticoapartirdeproduçãodegrãos,emtermosdefertilização,plantio,cultivo,manejo,transporte,dentreoutros.

Aquestão,noentanto,nãoétãosimplesassim;lentamentecomeçamasurgirnaliteraturatécnicaalguns textosacessíveisao leitor leigo32acercadosprocedimentosempregadosparaocálculodonúmerodeárvoresqueirámitigarasemissõesdeCO2,fatoatualmenteemvogaemprogramasdetelevisão de canais pagos, shows musicais, grandes eventos e jogos de cunho internacional.Descrevem-se,aseguir,deformabastanteresumida,osprocedimentosparadeterminaçãodonúmerodeárvoresaseremplantadasnamitigaçãodeeventos,apartirdaequação(4.7)(TheGreenInitiative,2006).

(4.7)

sendo:

N:númerodeárvoresaseremplantadas;Et:emissãototaldegasesdeefeitoestufaestimadarelativamenteàoperaçãodoempreendimentoemanálise,emtoneladadeCO2equivalenteporárvore;

Ff: fator de fixação de carbono em biomassa no local de implantação do empreendimento, emtoneladadeCO2equivalenteporárvore.

Emprega-setoneladadeCO2equivalenteporárvorepelofatodenãoapenasoCO2,masoutrosgases, como o CH4 e N2O, fazerem parte do inventário de emissões de gases de efeito estufa ecomporemovalordavariávelEt.Odióxidodecarbonoequivalenteéoresultadodamultiplicaçãodastoneladasemitidasdecadagáspeloseupotencialdeaquecimentoglobal.Paraacomposiçãodoinventário utiliza-se a metodologia do IPCC, e dela devem constar as emissões decorrentes dotransportedefuncionários,consumodeenergiaelétrica,consumodemateriaisdescartáveis,dentreoutros.

Para determinar o valor de Ff a ser utilizado no local de implantação do empreendimentodeterminam-seasespéciesqueserãoplantadas,emseguidaestima-seaquantidadedecarbonoqueoreflorestamentoiráabsorverdaatmosferaatéseucrescimentoeassimaáreaqueseráreflorestadaparacompensarasemissõesdoempreendimento.

Asespéciesvegetaismaisapropriadasdevemseraquelasdeocorrênciaregional,poiscontarãocom melhores condições para se adaptarem ao ambiente, além de garantir a conservação dadiversidade regional, obedecendo os requerimentos daResolução 008, de 31.1.2008, da SecretariaEstadualdoMeioAmbientedoEstadodeSãoPaulo33–noscasosrelativosaesseestado(SãoPaulo,2008). Em relação ao número de indivíduos, há especificação acerca dos percentuais máximosdaquelespertencentesaummesmogrupoecológico(pioneiroenãopioneiro).34

Para se estimar a quantidade de biomassa em um hectare de floresta nativa pode-se empregar

métododestrutivo–quepodesercaroeconsumirmuitotempo–parasegerarequaçõesalométricasespecíficas para certa área, ou empregarem-se equações genéricas, estabelecendo-se uma relaçãoentre dados dendrométricos coletados em campo, como o diâmetro e a altura do fuste, medidascoletadas com a árvore empé, comos pesos dos elementos dos componentes da árvore, como otronco, galhos, folhas e casca. Um exemplo de equação alométrica desenvolvida para florestastropicais e apresentada por Melo e Durigan (2006) para reflorestamento de matas ciliares éapresentadanaequação(4.8).

Y=e(–1,996+2,32InDAP) (4.8)

sendo:

Y:estimativadebiomassaacimadosolo;DAP:diâmetrodaárvorenaalturadopeito.

Conforme a metodologia descrita em The Green Initiative (2006), o valor obtido para Y édividido por 1.000 para que o resultado seja expresso em toneladas, e multiplicado por 0,5 porassumir-sequeemmédiaamatériavegetalcontém50%decarbonoquandoaáguaé removida.Ovalorobtidoédivididopelaáreaamostrada(emm2)eseobtémovaloremtoneladasdecarbonoporm2,emultiplicando-opor10.000m2obtém-seovaloremtoneladasdecarbonoporhectare.

Há,noentanto,controvérsiasmesmonoque tangeaousodeespéciesvegetaiscomoformademitigaçãodeeventosde emissãodecarbononaatmosfera.EstudodeKeppler eRöckmann (2007)reportaadescobertadequeplantasvivasproduzemmetanoàtaxade0,2a3nanogramasdemetanoporhoraparacadagramadematerialvegetal seco,ouseja,valoressignificativamentepequenosequenãoestariam,segundoosautores,contribuindoparaoaumentorecentenosníveisdemetanoenemparaoaquecimentoglobaldoplaneta.

Otemaaindaéobjetodecontrovérsiaacadêmicaemerecedordemaisintensainvestigação.Fica,no entanto, patente que, a despeito damaior oumenor contribuição que esta ou aquela forma degeração possa contribuir para com as emissões atmosféricas, ou das vantagens que uma ou outraforma de mitigação de emissões possa ser proposta, sempre há senões que merecem serconsiderados.

Descreve-senaTabela4.14,atítulodecomplementaçãodasinformaçõesatéentãoapresentadas,ataxa de produção de biogás a partir da produção de esterco para diferentes espécies animais; naTabela4.15estimam-seasemissõesmédiasdeCO2paraasespéciesanimaiscomerciais,pelarazãoentreosvaloresdisponibilizadospelaFoodandAgricultureOrganization(FAO),dasNaçõesUnidas.Observa-seque,porseremvaloresglobaisparaatotalidadedospaísesquecontribuíramcomotextoemquestão,possahaveralgumaimprecisãonosíndicesdeemissãodeCO2calculados;noentanto,aparentamapresentar coerência, haja vista o fato de bois e búfalos, que são ruminantes, e cavalos(que apresentam fezes com baixa taxa de processamento do alimento de origem vegetal)apresentaremosmaioresvalores,egalinhaseoutrasavesapresentaremosmenoresvalores.

Tabela4.14–Produçãodebiogásporalgumasespéciesanimais

Animal Produçãodeesterco(kg /animal.dia)

Produçãodebiogás(m3/animal.dia)a

Ave(2,5kg)BovinoBubalino

0,1810,0015,00

0,0110,3600,550

EquinoSuíno(50kg)

10,002,50

0,3600,180

Fonte:ViannaJr.etal.(2000).Nota:(a)emenergiacontidanabiomassa.

Tabela4.15–EstimativadeemissõesdeCO2paradiferentesespéciesanimais

Espécimes Quantidademundial(milhõesdecabeças)

EmissõesdeCO2

(milhõesdetoneladas)EmissãodeCO2(kgCO2/cabeça)

BoisebúfalosPequenosruminantesCamelosCavalosPorcosGalinhas,patos,gansoseperus

14961784195593317437

1906514187159061

127428894712916323,5

Fonte:Steinfeldetal.(2006).

EpílogodoCapítulo4

Neste capítulo, fontes energéticas baseadas em biomassas foram apresentadas, assim como astecnologias empregadas para sua conversão energética e na produção de outras matérias-primas,procurando-seidentificarasvantagensedesvantagenscomparativasentreasmesmas,bemcomodardestaqueàsuaconceituação,valorestípicosdesuacomposiçãoquímica,fatoresdeprodutividadenaconversãoenergéticae,quandodisponíveis,informaçõesacercadaproduçãodeCO2.

No capítulo que segue apresentam-se as fontes energéticas associadas a alguns processosindustriais consolidados, que correspondem a gases de síntese gerados no processamento dematérias-primasouconvertidosapartirdefontesenergéticassólidasdisponibilizadaspeloprocesso.

17Eminglês,emprega-seaexpressão“energycarrier”.18 Encontra-se em <http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_countries_by_population_density> (acesso em: 10 out. 2006) uma relação depaíses,áreas,populaçãoedensidadepopulacionaldeacordocom“TheUnitedNationsWorldPopulationsProspectsReport,2004revision”.

19Asopçõesdegestãoenergéticaseriam“reduzir,reutilizar,reciclarerecuperar”,tambémconhecidascomo4R.20 Substância de estrutura C5H4O2 usada como solvente no refino de óleos derivados do petróleo, no nylon, ou comoinseticida/fungicida.

21“OníveldeNOxdeumcertocombustívelécombinaçãodeduasfontes:oNOxtérmico,produzidopelaaltatemperaturadefixaçãodenitrogênioatmosféricoeoxigênio.Esseefeito é exponencial comoaumentoda temperatura,porémcom temperaturasdechamainferioresa1500°ConíveldeemissãodoNOxtérmicoédesprezível; logo,seucontroleé feitopela reduçãoda temperaturadechama.ONOxdeconstituição,geradopelaoxidaçãodosátomosdenitrogêniodasmoléculasdohidrocarbonetoapartirdooxigêniolivredoar.OníveldeemissõesdessaformadeNOxéfunçãodotipodecombustível,evariadezeroparaogásnatural(ausênciadenitrogênio)a60-80%daemissãototaldecertoscarvões”(Balestieri,1994,p.106).

22NaspalavasdeCohem(2004),“organicwastesareusuallysortedoutfromthewastestreamas“feeds”fortheincinerationplant.Organicwasteshavenumerousforms.Insimplifiedterms,theformulaC6H10O4isusedtoapproximatethechemicalcompositionofallorganicwaste”.

23Dibenzo-para-dioxinaedibenzofuranosãosólidosorgânicoscomelevadopontodefusãoebaixapressãodevapor,queseformamem processos de incineração de resíduos sólidosmunicipais e lodo de esgoto, dentre outras fontes, tendo potencial característicacarcinogênicaesendoarrastadospelascorrentesdegásdeexaustãodossistemasdecombustão(McKay,2002).

24A formaçãodebolsões degases traz comoconsequência o seuposterior escape, liberandoometano (CH4) para atmosfera, e deacordo com Tillman (2000, p.369), 1 tCH4 é equivalente a 11 tCO2 em termos de impactos de aquecimento global. Dessa forma, éimperiosoqueaomenossistemasdecoletadosgasesequeimaemflaresejaminstalados,quandoseuaproveitamentoemcentraisdegeraçãoelétricanãosemostraviável.

25Aesse respeito,a literatura registrao termoNIMBY,“NotInMyBackYard [nãoemmeuquintal],queesclareceadisposiçãoda

comunidadedecontarcomserviçosdecoletaeaterrodelixodesdequenãoestejapróximoàsuaresidência(Dijkgraaf;Vollebergh,2004).Casosemelhanteocorrecomapresençadefeirasnasruasdasgrandesemédiascidades.

26Atítulodeilustração,paraumapopulaçãode1.000.000habitantes,produzir-se-iamdiariamente90tdelododeesgotoapartirdessevalor.

27Processodedecomposiçãotérmicaemausênciadeoxigênio.28AunidadeNm3correspondeametroscúbicosnascondiçõesnormaisdetemperaturaepressão(emgeral,0°Ce100kPa).AunidadeSm3correspondeametroscúbicosnacondiçãopadrão(standard),de25°Ce100kPa.

29O autor cita nominalmente o valor 550 kWh elétrico para uma tonelada de resíduos sólidos urbanos, que corresponde a umaeficiênciatérmicade20%paraumcombustívelcompodercaloríficoinferiorde10MJ/kg.

30AconsideraçãodequeoCH4é21vezespiorqueoCO2emtermosdeaquecimentoglobalérecorrenteemmuitaspublicações(Rosa,2003,p.96).

31“ThepreliminaryresultsofthefirstmeasurementshaveconfirmedtheassumptionthattheGHGemissionsfromcompostingcanbeignored”(Pipatti;Savolainen,1996,p.1106).

32Aquiserefereàquelesquenãotêmconhecimentosnaáreadeagronomiaoudasengenhariasflorestalouagrícola.33AResoluçãoespecificaqueéobrigatóriohaver,nomínimo,80espéciesespéciesflorestaisnativasdeocorrênciaregional.34Háespecificaçãoparaoutrasformaçõesousituaçõesdebaixadiversidadedeespéciesflorestais,bemcomoadeterminaçãodequecompeteaoInstitutodeBotânicadeSãoPaulodisponibilizarlistadeespéciesflorestaisdeocorrênciaregional.

5FONTESCOMBUSTÍVEISINDUSTRIAIS

“NadadoquefoiseráDenovodojeitoquejáfoiumdia,TudopassaTudosemprepassará.”

(LuluSantoseNelsonMota,“Comoumaonda”)

Introdução

Fontes energéticas baseadas em biomassas representam uma significativa alternativa para ainclusãodefontesenergéticasaoatualsistemadegeraçãotérmicadequalquerpaís,umavezqueasemissõesdeCO2devemseranalisadasdopontodevistadesuaincorporaçãoeposteriorliberaçãoàmassaorgânica,comresultadonulo(oumesmopróximodessacondição).

Como foi apresentado no capítulo precedente, a grande disponibilidade de resíduos orgânicosdecorrentes da condição existencial do ser humano sobre a face deste planeta, se por um ladorepresentaumgrandepassivoambientalqueprecisaserequacionado,poroutropodeserintegrado,por meio de tecnologias avançadas, à estrutura de geração térmica dos países, representando umdeslocamentoambientalmentefavorávelemrelaçãoaoempregodecombustíveisfósseis.35

Nopresentecapítuloapresenta-seohidrogêniocomofonteenergéticapotencialparaumfuturopróximo,assimcomofontesenergéticasassociadasaprocessos industriaisquecontamcommaioraderência à prática da cogeração relativamente a gases de síntese gerados no processamento dematérias-primas ou a eles convertidos a partir de fontes energéticas sólidas disponibilizadas peloprocesso.

Empregodohidrogênio

Ohidrogênionãoéumafontedeenergiaprimária,talcomosedefinemocarvão,ogásnaturalou o petróleo; assim como a energia elétrica, o hidrogênio é uma forma secundária de energia,produzidaapartirdeoutrasfontesprimárias(Koroneosetal.,2004).

Aproduçãodehidrogênioapresentadiversasrotastecnológicas,eareformaavaporapartirdegás natural (ou outro combustível, como o etanol) ainda é a mais difundida (Silva, 2003),respondendopor48%dototal(dorestante,30%seriamgeradosapartirdopetróleo,18%apartirdocarvãoe4%apartirdeeletrólisebaseadaemdiversasfontes),aindaqueainvestigaçãosobreasrotasnuclear ebiológicavenhamsendopesquisadas como formadeproduçãodesse recurso energéticopormeiosisentosdeproduçãodeCO2.

De acordo com Silva (2003), o uso principal do hidrogênio no Brasil encontra-se no setorindustrial: na indústria química é utilizado na síntese da amônia, do metanol, ciclohexano(hidrogenação do benzeno), dentre outros. Na indústria petroquímica é empregado nohidrotratamento de derivados de petróleo (diesel, nafta, óleos lubrificantes, parafinas e normalparafinas)enohidrocraqueamentodehidrocarbonetospesados;naindústriasiderúrgica,aindaqueemmenorescala,naproduçãodeferro-esponjaetratamentodeaços.

ATabela5.1identificaosprincipaisprocessosdeproduçãodehidrogênio,deacordocomSilva(2003).Nasequênciasãorelatadasascaracterísticasdasprincipaisformasdegeraçãodehidrogênio,buscando destacar aquelas que são empregadas de forma corrente e as que apresentam condiçõespromissorasdeseremutilizadasnaspróximasdécadas.

Tabela5.1–Principaisprocessosdegeraçãodehidrogênio

Processo Insumobásico Fontedeenerg ia

Reformaavapordehidrocarbonetos Hidrocarbonetosleves(metano,nafta)eágua Calorliberadonaqueimadohidrocarboneto

Oxidaçãoparcialdeóleospesados Hidrocarbonetospesadoseágua Calorliberadonaqueimadohidrocarboneto

Oxidaçãoparcialdecarvão Carvãoeágua Calorliberadonaqueimadocarvão

Eletrólise Água Eletricidade

Eletrólisefotovoltaica Água Radiaçãosolar,painéisfotovoltaicos

Termoquímico Água Calorgeradoemusinasnuclearesouenergiasolar

Hidróliseemaltastemperaturas Água Calorgeradoemusinasnuclearesouenergiasolar

Fonte:Silva(2003).

Ostrêsmétodosdereformacomercialmentedisponíveissão(Silva,2003):

1)reformaavapor:ocombustíveléaquecidoevaporizadoeposteriormenteinjetadocomvaporsuperaquecidoemumacâmaradereação,processoqueocorredeformalentaeendotérmica,requerendoumgrandereformador;oprocessoénormalmenterealizadocomcatalisadoresàbasedeníquelepodeutilizarhidrocarbonetoslevesoupesados;

2)oxidaçãoparcial: consiste emuma combustão incompleta do combustível, empregando umaquantidadedearouoxigênioestequiométricanumaregiãoaltamenteexotérmicaqueconduzoscomponentesaelevadastemperaturas.Esseprocessopodeounãoempregarcatalisadores;apesardatemperaturamaiselevadaquenocasodareformaavapor,essemétodopermiteusodereformadormaisleveecompacto;

3)reformaautotérmica:éacombinaçãodosdoisprocessosanterioresnumúnicoreformador;areformaavaporabsorvepartedocalorgeradopela reaçãodeoxidaçãoparcial, resultandoemumprocessolevementeexotérmico.Oreformadorépequeno,departidarápidaepossuielevadaeficiência.

Reformaavapor

Areformaavaporconsistenaconversãocatalíticaeendotérmica(processotermoquímico)deumcombustível que seja comercialmente disponível – sólido, líquido ou gasoso – em um gáscombustível,ohidrogênio.Hidrocarbonetosleves,entreometanoeanafta,compontosdeebuliçãoinferiores a250 °C,podem reagir comáguaà temperatura entre300 °Ce700 °Cempresençadecatalisadores, resultando uma mistura de gases formada principalmente por H2, CO, CO2 e CH4

(Silva,2003).De acordo com Gaudernack e Lynum (1997), a reforma a vapor a partir do gás natural é o

métododominanteparaaproduçãodehidrogênio,eaquelaparaaqualatecnologiaestámaisbemdominada,emboracomportedesenvolvimentoemelhorias,umavezqueosreformadoresdevaporconvencionais ainda podem apresentar menores dimensões, menores temperaturas de operação,melhorcapacidadedetrocadecaloremenoresemissõesdeCO2eNOx.

AFigura5.1ilustradeformaesquemáticaoprocessodereformaavapor(Spath;Mann,2001);gásnatural sofreprocessodehidrogenaçãoapartirdehidrogêniogeradonopróprioprocessodereformaeésubmetidoaocatalisadorantesdaentradanoreformador,querecebevaporemaisgásnatural. Os processos em escala industrial realizam-se com temperatura de 850 °C e pressões daordemde 2,5MPa, numa reação do tipoCnHm + nH2O→ nCO+ (n +m/2)H2, enquanto a reaçãoexotérmicacatalítica(reaçãodeshift)domonóxidodecarbonoresultanteproduzhidrogêniopuroapartirdareaçãoCO+H2O→CO2+H2.

Figura5.1–ProduçãodehidrogênioporreformaavaporFonte:Koroneosetal.(2004).

Ainclusãodemembranasseletivasemreformadoresavaporoureatoresdeshifttemsidoobjetodesignificativointeresseepesquisa,edeacordocomGaudernackeLynum(1997),seuempregonaremoçãodeprodutosdareação(membranaspermeáveisaoH2ouaoCO2)alteraoequilíbrioecriacondições termodinâmicas mais favoráveis para o processo ao permitir menores temperaturasoperacionais.Outraquestãoponderadapelosmesmosautoresdiz respeito à comparaçãodecustosdecorrentes da separação deCO2 nos produtos do reformador a vapor e/ou do reator de shift,36

comparativamente à alternativa de removê-lo dos gases de exaustão das centrais geradoras depotência que queimam gás natural, que em seu entendimento é mais simples e mais barata noprimeirocaso.

OdesenvolvimentodereformadorcommembranadeligadepaládioreportadoporShirasakietal. (2009) apresenta os resultados de um teste demonstrativo com produção de 40 Nm3/h dehidrogêniocompurezade99,99%eeficiênciadeproduçãode76%.Osistemaéconcebidocomosendo o de mais alta eficiência na produção de hidrogênio a partir de gás natural dentre váriastecnologias que competem entre si, embora os autores reconheçam a necessidade de maiores

esforçosnoseudesenvolvimentoatéquesejapossívelalcançaroestágiodecomercialização.

Eletrólise

Eletrólise é todo processo desenvolvido em um sistema químico no qual as reações sãodesencadeadas a partir da aplicaçãode uma força eletromotriz geradapor uma fonte externa a talsistema(NevesJr.,1987).Ofornecimentodetensãoecorrenteéfeitoatravésdeeletrodos,entreosquaisexisteummeiocondutoriônicoquepodeserlíquidoousólido(Figura5.2).

Aeletrólisefrequentementeéconsideradacomométododeproduçãodehidrogênioporserumprocesso que não está diretamente vinculado a combustíveis fósseis (nos casos em que a forçaeletromotriz é de origem renovável); o hidrogênio assim gerado apresenta um elevado grau depureza, entre 99,5000% e 99,9990% (Silva, 2003). As tecnologias comerciais de produção dehidrogênio por eletrólise apresentam consumos que variam entre 4,1 kWh/m3 de H2 (nãopressurizado)até6,4kWh/m3deH2(pressurizado);oconsumodeáguavariade0,85litros/m3a1,0litros/m3deH2,estandoaconcentraçãodeKOHsituadaentre25%e30%emmassa(Souza,1998).DopontodevistadaemissãodeCO2,areformaavaporapresentataxade8,9kgdeCO2porkgdeH2, ao passo que o craqueamento demetanol apresenta taxa de 13,4 kg deCO2 por kg deH2 e aeletrólisecontacomomaiorvalor,28,9kgdeCO2porkgdeH2(Stoll;Linde,2000).

Figura5.2–ProduçãodehidrogênioporeletróliseFonte:HuttuneneLampinen(2005).

Rotabiológicaeempregodefontesrenováveis

A produção biológica de hidrogênio, também chamada bio-hidrogênio (bio-H2), ainda seapresentacomoumaáreanovadepesquisaecomgrandepotencialemtermosdedesenvolvimentotecnológico. Como descrito nas palavras de Levin et al. (2004, p.183), “a tecnologia de bio-hidrogênioencontra-seaindaemsua infância”,enomomentoas taxasdeproduçãosãoreduzidas,exigindoreatoresdegrandesvolumesparataxasdeproduçãoaquémdasnecessidadesdeprodução;posiçãosemelhanteécompartilhadaporSinhaePandey(2011)quandoconcluemqueaquestãomaisdesafiadora a ser enfrentada seria o desenvolvimento de um processo prático que extraísse quasetodo o hidrogênio do substrato (glucose) de modo a se obter uma conversão de 12 moles dehidrogêniopormoldeglucose.

Os métodos biológicos, ao contrário dos químicos (reforma a vapor e oxidação parcial decombustíveisfósseis),operamcombaixastemperaturas,oqueostornamenosdispendiososemaisintensivosnaproduçãodeenergia.Demandam,noentanto,matéria-primacaraquesetornaumadosprincipaislimitantesparaaproduçãodobio-H2,levandoàbuscaderesíduoscomofontespotenciais

paratanto(Kapdan;Kargi,2006).Oscritériosparaoempregoderesíduosaseremempregadosparaa produção do bio-H2 são sua disponibilidade, custo, conteúdo de carboidratos e capacidade debiodegradação;açúcaressimplescomoaglicose,lactoseesacarosesãosubstratosbiodegradáveisepreferidosparaaproduçãodobio-H2;noentanto,fontespurasdecarboidratossãomatérias-primascarasparaaproduçãodehidrogênio,edessaformaempregam-senomomentolododeesgotodasestações de tratamento, resíduos de água industrial que sejam ricos em carboidratos, assim comoceluloseeamidodosresíduosagrícolasedeindústriasalimentícias.

Osmétodosdescritosnaliteraturaparaproduçãodobio-hidrogêniosão,conformedescriçãodeLevinetal.(2004):

– biofotólise direta: a produção fotossintética do hidrogênio a partir da água é um processobiológico que converte a luz do sol em energia química armazenada a partir da seguintereação:2H2O+(luzdosol)→2H2+O2.Asalgasverdes,emcondiçõesanaeróbicas,podemutilizarohidrogêniocomodoadornoprocessodefixaçãodoCO2ouproduzirhidrogênio.Aprodução de bio-H2 por microalgas verdes requer de alguns minutos a algumas horas deincubaçãoanaeróbicanoescuroparainduzirasíntesee/ouativaçãodeenzimasenvolvidasnometabolismodohidrogênio,incluindoaenzimahidrogenasereversível.

–biofotólise indireta:cianobactériaspodemtambémsintetizareproduzirhidrogênioatravésdefotossíntesepormeiodosseguintesprocessos:

12H2O+6CO2+(luzdosol)→C6H12O6+6O2

C6H12O6+12H2O+(luzdosol)→12H2+6CO2

As cianobactérias, ou algas verdes-azuis, constituem o maior e mais diverso grupo demicrorganismosfotoautótrofoquesedesenvolveuediversificounafacedaTerra.

– fotofermentação:abactéria roxaproduzhidrogêniomolecularcatalisadopornitrogenasesobcondiçõesdedéficit denitrogênio, empregandoenergia luminosa e componentes reduzidos(ácidosorgânicos):C6H12O6+12H2O+ (luzdo sol)→ 12H2+6CO2. Essa bactéria foto-heterotrófica tem sido investigada por seu potencial de converter energia luminosa emhidrogênio empregando compostos orgânicos de resíduos como substrato em diferentesprocessos.

–fermentaçãonoescuro:hidrogêniopodeserproduzidoporbactériasanaeróbicasquecrescemnoescuro,emsubstratosricosemcarboidratos.Reaçõesdefermentaçãopodemseroperadasemtemperaturasmesofílicas(25°Ca40°C),termofílica(40°Ca65°C),termofílicaextrema(65°Ca80°C)ouhipertermofílica(>80°C).

Enquanto a fotólise direta e a indireta produzem hidrogênio puro, a fermentação no escuroproduzumbiogásmistocontendoCO2eH2,masquepodeconterquantidadespequenasdeCH4,COe/ou H2S. Carboidratos são os substratos preferidos para o processo de fermentação que leva àproduçãodehidrogênio;quandoácidoacéticoéoprodutofinal,umaquantidademáximateóricade4molesdeH2pormoldeglucoseéobtidoatravésda reaçãoC6H12O6+12H2O+ (luzdosol)→ 2CH2CH2CH2COOH+4H2+2CO2.Amáximaproduçãoteóricatemoacetatocomoprodutofinaldafermentação;naprática,máximaproduçãodehidrogênioestáassociadaàfermentaçãodamisturadeacetatoebutirato,eamínimaestáassociadamisturadepropionatoesubprodutosreduzidos,comoálcooiseácidolático.

Aproduçãodebio-hidrogênioporfotólisediretaempregandoalgasverdesencontra-selimitada

atualmentepelareduzidaeficiênciadeconversãosolardosaparatosfotossintéticos,pelosprocessosde síntese de hidrogênio (que precisam separar o processo de oxidação da água da síntese dehidrogênio) e os custos e capacidade dos biorreatores; as tendências futuras do bio-hidrogênioencontram-sevinculadasaoaumentodeganhodeproduçãoconsequenteàsmodificaçõesgenéticasdasbactériasprodutorasdehidrogênio(Levinetal.,2004).

Aproduçãodehidrogênioempregandoalgasélenta,requerluzdosoleéinibidapelapresençade oxigênio; a produção de hidrogênio por fermentação no escuro é geralmente menor que aalcançadaemcondiçõesde iluminação,masalternando-secicloscom14horasde iluminaçãoe10horasnoescuro,assuastaxasdeproduçãosemostramligeiramentemaiores(Kapdan;Kargi,2006).Segundoessesmesmosautores,processossequenciaisoucombinadosde fermentaçãonoescuroefotofermentação parecem se mostrar a abordagem mais atrativa para uma produção elevada dehidrogênio.Noentanto,háquemencionarquealgumasinformaçõesadicionais,relativasàsquestõesespecíficasdalinhadoconhecimentoembiologia,aindadevemserconsideradas.

Comrelaçãoaoempregodeenergiasrenováveisparaaproduçãodehidrogênio,Nietal.(2006)reportam o emprego de eletrólise da água pormeio de painéis fotovoltaicos ou turbinas eólicas,podendo-seempregareletrolisadoresalcalinos,deóxidosólidoedemembranadetrocadeprótons,sendonessaordemtantooaumentodaeficiênciaquantodecustos.Oaltocustodamembranadetrocadeprótonssedeveaoempregodepolímerosnoseletrólitoseplatinanoseletrodos.

Ni et al. (2006) também comentam o emprego da água do mar como matéria-prima para ohidrogênio, embora se acautelem sobre os problemas ambientais e de segurança da formação decloro ao invésdeoxigêniono anodo.Citamaindao empregode sistemas termoquímicos solares,como torres concentradoras, bem como biomassas através de pirólise e gaseificação, em umavertente,eosaspectosanteriormentediscutidossobrebio-hidrogênio,emoutravertente.

Na análise deWallman et al. (1998) acerca da gaseificaçãode resíduos sólidos urbanos para aproduçãodehidrogênio,épropostooempregodogaseificadorcomtecnologiaTexaco;apartirdeseusresultados,concluíramqueohidrogênioobtidoapartirdoresíduosólidourbano,paracompetircomo que é produzido por reforma a vapor aUS$6/GJ, deveria apresentar umpoder caloríficomínimode25MJ/kg,oqueimplicaconteróleodemotor,resíduosplásticosepedaçosdepneusemsua composição.Além disso, para que alcance omesmo valor, é preciso que seja paga uma taxa(tippingfee)daordemdeUS$100/tonelada.

Rotanuclear

Arotanuclear,emverdade,consistenoempregode tecnologiasdegeraçãonucleardeenergiapara o acionamento de diferentes formas de produção de hidrogênio; Yildiz e Kazimi (2006)argumentam que maiores temperaturas permitirão reações de produção de hidrogênio por meiostermoquímicoseeletroquímicosmaiseficientes,ecomoossistemasdegeraçãonuclearproduzemfluxospararefrigeraçãodoreatorcomtemperaturasdaordemde700°Coumaiores,aseficiências–econsequentementeoscustos–paraproduçãodehidrogêniopodemsercompetitivos.

Asseguintesalternativasdeassociaçãosãoconsideradas(Yildiz;Kazimi,2006):

– reator modular de hélio (MHR, Modular Helium Reactor): empregado para produção deeletricidade e hidrogênio em forma de cogeração, nesse reator a temperatura de saída dofluxorefrigerantepodealcançar850°C,compressãodeoperaçãode7,0MPa,epropõe-se

quevenhaa atingir1.000 °C; seuempregoestaria associadoaprocessos termoquímicosdeproduçãodehidrogênio,comoareformaavapor,ouaprocessoshíbridos(termoquímicoseeletrólise);

– reator avançado de alta temperatura (AHTR, Advanced High-Temperature Reactor): essatecnologiaaindanãoseencontradisponível,masseucampodeaplicaçãoseriapróximodosistemaMHR;

– reator avançado a gás (AGR, Advanced Gas Reactor): esse sistema é comercialmentedisponível,comtemperaturadofluxorefrigerante(nocaso,CO2)emtornode650°C,compressãodaordemde4,3MPa;ofuturodessatecnologiaestáassociadoaoseuacoplamentoasistemasdeconversãoenergéticaemciclosupercríticodeCO2;seuempregoestariaassociadoàtecnologiadeeletrólise;

–reatorautônomoseguro transportável (STAR-H2):empregadoparaproduçãodeeletricidadeehidrogênio em forma de cogeração, embora ainda não construído comercialmente; atemperaturadofluxorefrigerantedeveráficaremtornode800°Cemcondiçõesdepressãoatmosférica;

–reatorrápidoresfriadoasódio(SFR,SodiumFastReactor):atemperaturadofluxorefrigeranteédeaproximadamente550°Cemcondiçõesdepressãoatmosférica, recomendadopara serempregadoemprocessostermoquímicos.

Futurodohidrogênio

Aentradadohidrogênionamatrizenergéticadospaíses,fatoqueficouconhecidopelocrescenteemprego do termo “economia do hidrogênio”, apresenta prós e contras. A proximidade do seudesenvolvimentoemrelaçãoaodascélulascombustíveis,paraproduçãodeeletricidadesememissãodeCO2,temsidoobjetodesignificativaatenção.37

Comoaqueimadohidrogênioliberacaloreproduzáguasemenvolverátomosdecarbono(2H2

+O2→2H2O),nãoháliberaçãodemonóxidodecarbonoouCO2,oquereduziriaoefeitoestufa,emborapossahaverformaçãodeóxidosdenitrogênio.Apartirdoempregodatécnicadeanálisedociclo de vida (LCA), Koroneos et al. (2004) concluíram que, na comparação entre diferentesalternativasrenováveis,ageraçãodehidrogênioapartirdarotafotovoltaicaéaquecontacompiordesempenhoambiental,fatoatribuídoàtecnologiademanufaturadospainéisfotovoltaicos,seguidapelarotaporqueimadebiomassa.Ageraçãodehidrogênioapartirdoempregodeenergiaeólica,hidrelétrica e solar térmica foram as que se mostraram mais interessantes do ponto de vistaambiental.

Penner(2006)ponderaqueaproduçãodehidrogênioapartirdefontesrenováveisnãopermitealcançar valores competitivos, fato que o leva a advogar o emprego da rota nuclear, emborareconheçaqueaquestãodoarmazenamentodeprodutosaltamenteradiativosouapossibilidadedefacilitaçãodaproliferaçãonucleardesagradeosidealistasda“economiadohidrogênio”.

No entender deHammerschlag eMazza (2005), o hidrogênio pode vir ainda ocupar um lugarimportantenofuturoenergético,masaspressõesdecorrentesdarealurgênciadeinclusãodefontesrenováveis na matriz energética dos países, melhorias da eficiência dos transportes e necessáriasreduçõesdosgasesdoefeitoestufanãodevemsertraduzidassemalgumacautelanafalsaurgênciada“economiadohidrogênio”.Senãoporoutrosmotivos,Schultzetal.(2003)reportamque,embora

osresultadosdassimulaçõesemcenáriosprospectivosdedezanossejampreliminaresemereçamrefinamentos, a proposta de substituição de 50% da frota de veículos que atualmente queimacombustíveisfósseisportecnologiasdeusodehidrogêniogeradointeiramenteporprocessoslivresdeemissõesencontrasimulaçõesemqueseobservamaumentoentre5%e10%dasemissõesdeCO2

eCH4. Além disso, Damen et al. (2006) observam que, embora haja perspectivas de redução doscustos da produção de hidrogênio em cenários de longo prazo e seja prevista uma profusão detecnologias consideradas potencialmente disponíveis, não há condições para se realizar previsãomaisapuradanomomento.

Resíduosindustriais

Alguns setores industriais apresentam significativa demanda de hidrogênio, como é o caso dosetor petroquímico; outros setores apresentam a produção de gases de síntese que podem serempregadosnageraçãodeenergia,comooprópriosetorpetroquímico,osetorsiderúrgicoeodecelulose.Nas seções que seguem, apresentam-se informações gerais sobre a produção e o uso deresíduosindustriaisemtaissetoresespecíficos.

Setorpetroquímico

Paraumamelhor compreensão acercados aspectos descritos neste item, apresenta-se demodosimplificadoo fluxodeprocessoemuma refinaria,deacordocomaFigura5.3;opetróleocruéinicialmentedessalgado,aquecidoemumfornodequeimadiretaeentranaUnidadedeDestilaçãoAtmosférica (UDTA); a partir da injeção de vapor, realiza-se a separação de frações dehidrocarbonetos leves até gasóleo pesado, os quais seguem para o hidrotratamento (HDT). Ohidrotratamento é umprocesso de dessulfurização, no qual nitrogênio e enxofre são removidos apartir da saturação dasmoléculas olefínicas pesadas para que sejam transformadas emmoléculasparafínicas(DOE,2006).Existemdiversosprocessosdehidrotratamentoemumainstalaçãocompletaderefinodepetróleo.

Figura5.3–EsquemasimplificadodeumarefinariaFonte:DOE(2006)

O craqueamento catalítico fluidizado38 (FCC, Fluid Catalytic Cracking) converte gasóleospesados em gasolina e outros produtos leves e substitui o craqueamento térmico (há também apossibilidadedeseincluirumcraqueamentocatalíticofluidizadopararesíduosdevácuopormeiodoRFCC).Aalquilaçãoéprocessopeloqualseconvertemmoléculasleves(butilenoseisobutano,porexemplo)emmoléculasmaiores(parafínicos)paraaumentarosníveisdeoctanagemdocombustívelsemaumentar suavolatilidade.Por suavez, a isomerizaçãoé utilizada para o rearranjomolecularsemadiçãoouremoçãodeátomosdamoléculaoriginal(Szklo,2005).

Areforma catalítica (URC) converte nafta e gasolina pesada em componentes demistura paragasolinadealtaoctanagem.Aalimentaçãodoreformadordoeparaoreformadorécompostaporquatrogruposprincipais(parafínico,olefínico,naftênicoearomático)e,maisdoquecombinarouquebrarmoléculasparaobter osprodutosdesejados, nesseprocesso reestruturam-semoléculasdehidrocarbonetosqueseencontramnadimensãocorretamastêmestruturaouconfiguraçãomolecularnãoconforme(DOE,2006).

Osresíduosatmosféricosconstamdehidrocarbonetoscompontodeebuliçãosuperiora400°Ceque se decompõem sob pressão atmosférica se atingidos seus pontos de ebulição; são, por isso,transferidosparaaUnidadedeDestilaçãoaVácuo(UDTV)emcondiçõesde10mmHga400mmHg,oquereduzopontodeebuliçãodasfraçõesepermitesuaseparaçãoemmenorestemperaturas.Osprodutosdessaunidade sãoenviadosparaunidadesdecraqueamentoe/oudecoqueamentopara setransformarememderivadosdemaiorvalor.

Ohidrocraqueamento catalítico é o processo pelo qual são convertidos gasóleos (através doHCC) e resíduos de vácuo (através do RHCC) – gasóleo de vácuo, óleo leve de reciclo, gasóleopesadodecoque,óleodesasfaltado,dentreoutros–emprodutosleves.AUnidadedeViscorredução

(UVR)utilizacalorepressãocomoagentedequebradasmoléculasparareduziraviscosidadedosderivadospesadoseaumentaraquantidadedegasóleodestinadoàproduçãodegasolina.Unidadescomohidrocraqueamentodelubrificantes(LHC)edeasfalto(UASF)podemtambémestarpresentesemmuitasrefinarias.

O coqueamento é realizado naUnidade de Coque (UCQ) por meio de processo térmico nãocatalíticodecraqueamento;oresíduodevácuoéseparadoemumatorrefracionadoraemgasóleo,gasolinadecoqueamento,gasescombustíveisecoquedepetróleo,sendoesteúltimocarbonosólidocomvariadosteoresdeimpurezas.DeacordocomSzklo(2005),ocoquedepetróleoéumprodutocomercial utilizado tanto como energético como produto não energético, e é distinto do coqueutilizadocomocombustívelemrefinarias,queéoriginadonoFCC.Estudosvoltadosàcombustãolimpaparageraçãodeenergiaapartirdocoquedepetróleovêmsendoconsideradosna literatura(Wangetal.,2004).

Embora com grande potencial de cogeração, em especial devido à disponibilidade de gasesderivadosdoprocessodetransformaçãodopetróleoedoprópriogásnatural,osetorpetroquímiconão apresenta um resíduo característico que possa ser caracterizado necessariamente comoalternativo aos combustíveis fósseis, tal como ocorre com o setor siderúrgico. No entanto, opotencialmédiodemelhoriasemeficiênciaenergética–noqualacogeraçãoéumadasopçõesmaisfactíveis–embasemundial,nessesetor,ésituadopróximode30%,edessevalor17%éatribuídoàcogeração especificamente e 13%, à economia de combustíveis em refinarias (Milosevic;Cowart,2002).

Essesmesmosautores tambémargumentamqueovalorde30%ébastanteconservadorporqueassume que as refinarias apenas cogeram potência mecânica (ou elétrica) para atender às suasprópriasdemandas,empregandoapenasumafraçãodocalordisponívelparaaproveitamentotérmico(muitasvezesnaformadevaporcondensado).Nessesentido,acreditamqueopotencialdemelhoriasenergéticas pode ser bemmaior, especialmente porque na análise de cogeração foi assumido queparte do calor rejeitado no ciclo térmico é enviado para consumidores de vapor, mas aplicaçõesadicionais de cogeração como o pré-aquecimento do petróleo (cru) ou mesmo sua exaustão nosfornosdeprocessamentodocrusãopráticascomuns.

ParaMiloseviceCowart(2002),asdemandastérmicasdasrefinariassãoachaveparaosucessodesseempreendimento, eadicionalmenteelasestabelecemque,paragarantirde formaplenaqueopotencial de cogeração se realize, algum excedente elétrico deve ser gerado nas instalações darefinariademodoaquepossaserexportadaàrededaconcessionária.Haworthetal.(2000),contudo,sinalizamqueocustoefetivodacogeraçãoégeralmenteelevadoepodesereconomicamenteviávelgerarpotênciaelétricamesmosehouverempregolimitadodovapornasunidadesdeprocesso.

Atualmente, o cuidado devotado à questão da redução das emissões de CO2 tem se reveladodeterminante, e na indústria petroquímica isso tem sido uma preocupação especial a ponto de seobservarqueaatratividadedetecnologiasavançadaspodeserreduzidacasoseuempregosignifiqueaumento nas emissões de CO2; felizmente, as tecnologias avançadas em desenvolvimento sãobaseadasemconceitosdecogeração,cujaspremissasenvolvemageraçãodemaiorescapacidadesdepotênciatérmicaeelétricacommenorconsumodecombustível.

A eficiência energética na indústria japonesa é uma dasmais altas domundo, de acordo comGielenetal.(2002),oquefazqueareduçãodasemissõesdeCO2setornemaisdifícilecara.Nessecontexto,abuscaporalternativassustentáveisse tornamaisatrativa,edentreelasasubstituiçãodematéria-prima na indústria petroquímica pode se revelar interessante.O emprego de biomassa no

setor petroquímico já é realidade, posto que parte significativa de surfactantes e detergentes éatualmentederivadadeóleosvegetais; noentanto, aproduçãodeetileno (C2H6) a partir de etanol,derivadodebiomassacomoacana-de-açúcar,jáapresentouescalacomercialnopassadomascedeuespaçopor conta dosmaiores custos de produção comparativamente ao empregode combustíveisfósseisemmomentomaisrecentedaHistória(porcraqueamentotérmicodehidrocarbonetoscomoetano,gásliquefeitodepetróleo,nafta,gasóleoederivadosdecarvão,deacordocomPhylipsenetal.,2002),epodeviraocuparespaçonovamenteemfacedaatualrealidadeambiental.Osmesmosautorescitamdiferentesalternativasparasubstituiçãodematériaprimafóssilporbiomassanosetorpetroquímico.

Klemešetal.(1997)apresentaramumametodologiadeintegraçãodeprocessosqueconsideraacogeraçãoemconjuntocomaemissãodeCO2, reportandoeconomiasdecombustívelsuperioresa20% e melhorias de pelo menos 50% em termos da redução dos níveis globais de CO2 emcomparaçãocommelhoriasobtidaspelaaplicaçãodeprocessosindustriaisindividuais.

Phylipsenetal.(2002)realizaramumaanálisedeeficiênciaenergéticaparaaindústriaholandesabaseadonousodoÍndicedeEficiênciaEnergética(IEE),umconceitousualdosetorpetroquímico(oupelomenosnaáreaderefino)masquenessecasofoiextrapoladoparaoutrossetores,comoosiderúrgico,celuloseepapel,alémdageraçãopúblicadeenergiaelétrica.Paraosetorpetroquímico,aproduçãodeetilenofoiparticularmenteconsiderada.NumaanáliserealeestáticadousodaenergiaeemissãodeCO2queconsiderou todososprodutoresdaComunidadeEuropeia,Japão,Coreia,osEstadosUnidosepaísesdaAméricadoSul,osautoresconcluíramqueosetorpetroquímico(comeconomias energéticas comparativas de 22 a 26 PJ e redução da emissão de CO2 comparada àmelhoria de eficiência autônoma de 1,3 a 1,6Mt) e o setor elétrico (41 a 64 PJ e -0,6 a 2,8Mt,respectivamente)foramosqueregistrarammaiorescondiçõesdeeconomia.

Apropostadecogeraçãodeeletricidadeeaproveitamentodegasesquentesemfornosaparecenaliteraturacomalgumarecorrência.OusodeturbinasagásparaproduzireletricidadeegasesquentesparaatenderàsnecessidadestérmicasdefornosdecraqueamentoépropostoporAlbanoetal.(1992)comoumasoluçãoatrativadereduzirasnecessidadesenergéticasdaproduçãodeetileno.Comoosfornosdecraqueamentosãoreconhecidamentealgunsdosmaioresconsumidoresenergéticosdeumaunidadedeproduçãodeoleofinas,39aassociaçãocomsistemasdecogeraçãoresultanareduçãodesubstancialquantidadedeenergia.AFigura5.4ilustraapropostadeassociaçãodeturbinasagásàunidadedeproduçãodeolefinas.

Figura5.4–IntegraçãodeturbinasagásaumaunidadedeproduçãodeolefinasFonte:Albanoetal.(1992).

Aavaliaçãodosprósecontrasdepropostascomoessadevelevaremcontaomaiornúmerodevariáveisdedecisão,comoaquedadepressãorequeridanodutoenosqueimadores,bemcomoatemperatura do gás de entrada no queimador. Ernst eBalestieri (2003) analisaram a cogeração deeletricidade e aproveitamento de gases quentes em fornos de aquecimento, comparativamente aoempregodeardecombustão,talcomoapresentadonaFigura5.5.

Figura5.5–PropostadeusodegasesdeexaustãoemfornodeaquecimentoFonte:ErnsteBalestieri(2003).

ApropostaapresentadanaFigura5.5constadalinhadetransportedegásnaturaldesdeaestaçãodecompressãoatéaunidadedeprocessamento;aprimeiraunidadetemporfinalidadecompensaraquedadepressãodogásnaturalaolongododutoeécompostaprincipalmenteporcompressoresdegás natural acionados por turbinas a gás, ao passo que a segunda unidade é responsável pelaprodução de Gás Liquefeito de Petróleo (GLP), e fornos de aquecimento são empregados. Aalternativa,talcomoapresentadonalinhapontilhada,consisteemenviaraosfornospartedosgasesdeexaustãodiretamenteaosfornosdemodoasubstituiroaratmosféricodecombustão.Osautoresconcluíramquesefaznecessáriaumacuidadosaavaliaçãoeconômicaparavalidaraatratividadedapropostaalternativa.

Como as operações de polimerização necessitam de energia tanto térmica quanto elétrica emquantidade significativa, Budin et al. (2006) desenvolveram uma análise de sistemas de cogeraçãoparaaproduçãodepolietilenodebaixadensidade(LDPE,LowDensityPolyethylene)quealcançoueconomia na energia elétrica adquirida da concessionária da ordem de 17,6%.Numa comparaçãoentreumciclo térmicoavaporcom turbinaavapordecontrapressãooperandoemcogeraçãoeageraçãoemseparadodeeletricidadeedeenergiatérmica,oprimeiroalcançoueconomiade16%a24%aopassoqueoúltimo,de5%a7,3%.

AcogeraçãodeeletricidadeeetilenoatravésdaoxidaçãodemetanoépropostaporHugilletal.(2005).Os autores compararamuma proposta de cogeração comoutra proposta na qual etileno eeletricidadeeramgeradosdeformaseparadaporprocessosconvencionais.Apropostadeempregode sistemas de cogeração para geração de etileno e eletricidade foi primeiramente sugerida porPenninger(1996apudHugilletal.,2005)esubsequentementeestudadaporSwanenberg(1998apudHugilletal.,2005),quepropôsduasopções:aprimeira,apresentadanaFigura5.6,consisteemumaunidade de produção de etileno, tendo a eletricidade como coproduto; e a segunda consiste nageraçãodeeletricidade, tendoaproduçãodeetilenocomocoproduto.Estaúltimanão foiavaliadaporHugilletal.(2005),sendoentretantoapresentadapelosautorescomoumaformainteressantedeproduçãodeeletricidadeaserconsideradaquandoaconexãocomarededaconcessionáriaéfactível.

ApropostadeHugilletal.(2005)sebaseianousodeumreatordeleitofluidizadoparaoxidaçãodemetano(OCM,OxidativeCouplingofMethane)paraoperara800°Ce101kPa,gerandovapordealta pressão.40 A geração de energia é baseada em ciclo térmico a vapor com turbinas decondensação; para Gielen et al. (2002), tal tecnologia é dependente do desenvolvimento decatalisadoresegeraconsiderávelquantidadedevaporcomocoproduto.

Figura5.6–Alternativadecogeraçãodeetilenoeeletricidade,tendoaúltimacomocoprodutoFonte:Hugilletal.(2005).

Como conclusões, Hugill et al. (2005) consideraram que o esquema proposto não reduzsignificativamenteoconsumodeenergia,massimasemissõesdeCO2;dessaforma,aospreçosdaépoca, e sem excedente elétrico para comercialização, a proposta de cogeração de etileno eeletricidade,tendoestaúltimacomocoproduto,foiconsideradamenosatrativaqueageraçãoisoladadeambososprodutos.Osautores comentamque“amaispromissora alternativa (de longoprazo)paraoreatorde leitofluidizadoparaaoxidaçãodemetanoéoreatordemembranapermeávelaooxigênioque,pelaeliminaçãodanecessidadedeumaunidadedeproduçãodeoxigênio,podegerarsignificativamelhoriaemtermosdeeficiênciaenergética,emissõesdeCO2ecustos”.

Comsignificativopotencialparafuturaspesquisas,deveserconsideradoqueéprecisoinvestigarapropostaalternativadeSwanenberg(1998apudHugilletal.,2005),queapresentamaiorproduçãode energia elétrica, gerando inclusive excedentes comercializáveis, o que potencialmente poderiaequacionaroproblemaverificadonasconclusõesdotrabalhodeHugilletal.(2005).

Oconceitodecogeraçãodeeletricidadeehidrogênioéatrativoparaosetorpetroquímicoporqueousodeambos–emespecialohidrogênio–ébastanteelevado,sendooprodutodemaiorvolumeevalornumarefinariatípica(Terribleetal.,1999):ohidrocraqueamentocatalíticoconsome362.103MJ/bbla904.103MJ/bbldepetróleocrueohidrotratamentocatalíticoconsome235.103MJ/bbldepetróleocru(DOE,1998).

Nesse setor, o hidrogênio é empregado em dois tipos de processo, o HidrocraqueamentoCatalítico (HCC)eoHidrotratamento (HDT),ambosempregandocatalisadormetálicoeatmosferaredutora; de acordo com Szklo (2005), entretanto, nem todo o hidrogênio demandado por taisprocessos advém de outras unidades de conversão da refinaria: a reforma catalítica inerente aoprocessopetroquímico(URCnaFigura5.3)produzhidrogênioemquantidadesnãosuficientesparao atendimento das necessidades da instalação,41 o que torna necessária a inclusão de unidades deproduçãodehidrogênioporoxidaçãoparcialdefraçõespesadasdehidrocarbonetosouporreformaavapordefraçõeslevesoudegásnatural.

Terrible et al. (1999) propuseram um sistema de cogeração que produz eletricidade, vapor ehidrogênio para processo integrado ao reformador de metano a vapor (SMR, Steam-Methane

Reformer); no reformador ocorre um processo endotérmico e, por consequência da cinéticaquímica,a temperaturadeveestaracimade790°Cna seção radiantedo forno,oque fazquehajadisponibilidadedecalorresidualparaproduçãodevaporparaserexportadoparaoutrosprocessos.Paraosautores,aalternativacomcogeraçãopoderepresentaraproximadamente20%dereduçãonoconsumodepotênciaelétricacomparativamenteàoperaçãodoreformadorsemcogeração.AFigura5.7 ilustra a proposta do sistema de cogeração baseado em ciclo térmico a vapor integrado noreformador de vapor (no caso, com turbina de condensação e extração, mas poderia ser decontrapressãopura);aFigura5.8 ilustraa integraçãodeumciclo térmicoagásaoreformadordevapor.

Figura5.7–Reformadordevaporisolado(a)eintegradoasistemadecogeraçãoavapor(b)Nota:PSA–PureSwingAdsorption.Fonte:Terribleetal.(1999).

Figura5.8–ReformadordevaporintegradoasistemadecogeraçãoagásNota:PSA–PureSwingAdsorption.Fonte:Terribleetal.(1999).

Spazzafumo(2004)propôsduasdiferentessoluçõesparaaumentara temperaturadovapor:umcicloavaporhíbridocompós-superaquecimentoqueutilizehidrogênioeoxigênioapenasparalevá-loàcondiçãodovapornecessáriaparaoprocessamentodecombustível,conformeFigura5.9(a),eumcicloemcontrapressãohidrogênio/oxigênioparaociclo termodinâmicocompleto,descritonaFigura 5.9(b). Ainda de acordo com Spazzafumo (2004), o hidrogênio seria gerado a partir decombustíveisfósseiseooxigênioseriageradoemumprocessoseparado(pordestilaçãodear,porexemplo);taispropostaspoderiamserpotencialmenteviabilizadascomsequestrodeCO2oumesmocomemissãonuladeCO2.

Figura5.9–PropostasdeesquemasdecogeraçãoparaproduçãodeeletricidadeehidrogênioNota:DSG–DirectSteamGenerator.Fonte:Spazzafumo(2004).

ApropostadoprocessoHyGenSys(HPI,2005;Eide,2005),desenvolvidapeloInstitutFrançaisduPétrole (IFP), envolve a conversão do gás natural para hidrogênio em uma unidade de reforma avaporparaserempregadonaunidadedegeraçãodeenergia(Figura5.10).OprocessodeseparaçãodoCO2dohidrogênioéfeitopormeiodoprocessoIfpexol,42tambémdesenvolvidopeloIFP,quenãorequerenergiatérmicaparasuarealização.OCO2recuperadoésecoedisponívelempressõesacimadacondiçãoatmosférica,favorecendoascondiçõesparasuareinjeção.Osgasesdeexaustãoque saem do conjunto a gás são livres deCO2 e podem ser utilizados para geração de vapor emcaldeiraderecuperaçãoeposteriormenteliberadosparaaatmosfera.Rojeyetal.(2003)apresentamvalores de avaliação econômica da cogeração de eletricidade e hidrogênio através do processoHyGenSys.

Figura5.10–ProcessoHyGenSysFonte:HPI(2005).

ParaqueoprocessoHyGenSyspossaser implementado, faz-senecessáriodisporde turbinasagás adaptadas à queima de hidrogênio; Bannister et al. (1998) discutem o desenvolvimento deturbinas a gás para operarem com eficiência térmica de no mínimo 70,9% (baseada no podercalorífico inferior) no contexto de um contrato desenvolvido para a Japanese New Energy andIndustrial Technology Development Organization (Nedo) como parte do programa InternationalCleanEnergyNetwork usingHydrogenConversion (WE-NET).O trabalho de Jin e Ishida (2000)acrescentaoutroselementosinteressantesaessaquestão.

Umanotadeveseradicionada,nesteponto,sobreousodecélulascombustíveisparaacogeraçãode eletricidade e produção de compostos orgânicos como uma alternativa a ser considerada emestudosfuturosemfacedoforteapeloqueessatecnologiavemapresentandodevidoàsuaeficiênciae pelo uso de hidrogênio. Yuan et al. (2001; 2005) descrevem o uso de célula combustível comeletrólitopolimérico(PEFC,PolymerElectrolyteFuelCell)paraacogeraçãodeciclohexilaminaeeletricidadeedecompostosorgânicoseeletricidade,respectivamente.Alcaideetal. (2006)relatamemartigoderevisãoaproduçãodeperóxidodehidrogênioemcélulaalcalinaouemcélulasPEFC,assim como compostos químicos orgânicos nessa última tecnologia, ou mesmo acetaldeído emcélulasde sal fundido (similares às célulasde carbonato fundido,MCFC–MoltenCarbonateFuelCell),oucompostosinorgânicoscomoóxidonítricoemcélulasdeóxidosólido(SOFC,SolidOxideFuelCell).

Setorsiderúrgico

Paraumamelhor compreensão acercados aspectos descritos neste item, apresenta-se demodo

simplificadoofluxodeprocessoemumaunidadesiderúrgica;emumsistemaintegradoidentificam-se: coqueria, sinterização, alto forno, aciaria, lingotamento contínuo e laminação a quente. Taisprocessossãobrevementeapresentadosnasequência:

–A coqueria ou unidade de processamento de coque é responsável pela produção do coque apartir do carvão, bem como um gás de síntese, o COG (CokeOvenGas); de acordo comRamos (2002), o coque é um importante elemento siderúrgico, constituído da mistura devários tipos de carvão mineral metalúrgico, sendo elementos da mistura o coque, sínter,pelotaseoutrosparaaobtençãodoferro-gusalíquido.

–Asinterizaçãoéumprocessorealizadoàaltatemperaturanosfornosdesinterizaçãoapartirdamisturademinériosdeferrodegranulometriafinacomaglomerantesdefinos,protetoresderefratários e formadores de escória, e elementos protetores da lança do convertedor ousopradordeoxigênio(Ramos,2002).

–Alto-forno,noqualominériodeferroéfundidoapartirdeumprocessoredutoredefusão,a1.500°C,peloqualseproduzoferro-gusa;nosalto-fornosproduz-seumgásdesíntese,ogásde alto-forno (BFG,Blast FurnaceGas); de acordo comSilva (2006), “a carga do forno éconstituída de coque, que é o principal combustível de forno, sinter (fabricado através daaglomeração de finos deminério de ferro), minério bitolado (extraído in natura) e pelota(fabricadoapartirdapelotizaçãodefinosdeminériodeferro),queéafontedeferroparaoforno”.Oferro-gusalíquidoévazadoemcarrostorpedos,ondesofreumadessulfuraçãooupré-refino.AFigura5.11ilustraoalto-fornoesuasregiõesinternas.

Figura5.11–Alto-fornoemcorteFonte:Silva(2006).

–OconvertedorL&D(LinzeDonawitz)naaciariarecebeoferro-gusadocarrotorpedo,sendoentãoiniciadoorefinoouaconversãodeferro-gusaemaço(menosde2%decarbono).NosconvertedoresL&Do ferro gusa líquido é submetido a inclusões de elementos de liga queajudam na precipitação de escória, além de ser submetido a um sopro de oxigênio paraqueimar o excesso de carbono e silício, produtos nocivos aos aços, expulsando-os docompostometálico líquido na forma de gases. O processo pode também comportar refinosecundário,dependendodaqualidadedesejadaaoaço(Ramos,2002);

–Aconformaçãomecânicadaschapasdeaçoéfeitoemduasetapas,sendoquenaprimeiradelasocorreasolidificaçãodoaçolíquido,transformando-oemplacasgrossasdeaçoatravésdoprocesso conhecido como lingotamento convencional ou contínuo (em uma máquina delingotamentocontínuo,MLC).Asegundaetapaconsisteemtransformaressaschapasgrossasde aço em bobinas de tiras de aço com espessuras de milímetros através do processo delaminaçãoaquenteemumequipamentodenominadolaminadordetirasaquente,representadoporLTQ(Ramos,2002).

Osetor siderúrgico conta coma disponibilidade de gases de síntese que são resultado de seusdiferentesprocessos;assim,umaempresadessesetornormalmentetemàdisposiçãoogásdealto-fornoouogásmisto,umamisturadegásdealto-fornocomgásde aciaria (LDG,LinsDonawitsGas,outambémBOFG,BasicOxygenFurnaceGas),podendoincluirmenoresproporçõesdegásdecoqueriaemesmogásnatural;ogásdecoqueriaéutilizadocomogásestabilizadordaschamasdealto-forno e, adicionalmente, como parte do combustível principal; e o alcatrão, utilizadoalternativamente como estabilizador das chamas de gás misto e/ou como parte do combustívelprincipal(IPT,2007).

A título de referência, apresentam-se valores relativos àArcelorMittal Tubarão (anteriormenteCompanhiaSiderúrgicadeTubarão,CST).DeacordocomRodriguesetal.(2003),oCOGapresentaumvolumede440Nm³portoneladadecoqueproduzidoeumpodercaloríficode17.580kJ/Nm³a20.100 kJ/Nm³, sendo utilizado na própria unidade para queima do carvãomineral nos fornos dabateria e a parcela excedente utilizada em geração de energia e outros consumidores. O BFG aliproduzidoapresentaumvolumede1.540Nm³portoneladadegusaproduzidaeumpodercaloríficode3.140kJ/Nm³a3.800kJ/Nm³.OBFGéutilizadonopróprioalto-fornoparapré-aqueceroarnosregeneradores, e o excedente é utilizado para geração de energia. A Tabela 5.2 apresenta valoresrelativos à siderúrgica ArcelorMittal (IPT, 2007), e na Tabela 5.3 ilustram-se valores relativos agasessiderúrgicosdeacordocomHigashi(1982).NaFigura5.12representa-seesquematicamenteoprocesso siderúrgico integrado em associação ao fornecimento de gases de síntese à central decogeraçãodeenergiastérmicaeeletromecânica,secundadopelaFigura5.13,queapresentaacentraldecogeraçãodaArcelorMittal.

Tabela5.2–PropriedadesdosgasesBFGeCOGdaArcelorMittalembaseseca

BFG BFG COG COG

fraçãovolume fraçãomassa fraçãovolume fraçãomassa

TeorH2 0,040 0,003 0,607 0,132

TeorCH4 0,000 0,000 0,251 0,436

TeorC2H2 0,000 0,000 0,001 0,002

TeorC2H4 0,000 0,000 0,018 0,055

TeorC2H6 0,000 0,000 0,006 0,020

TeorCO 0,245 0,225 0,063 0,190

TeorCO2 0,220 0,318 0,017 0,079

TeorN2 0,495 0,455 0,027 0,081

TeorO2 0,000 0,000 0,002 0,006

Massaespecífica(kg/Nm3) 1,371 0,453

Podercaloríficoinferior(kJ/Nm3) 3.495,98 18.598,40

Podercaloríficoinferior(kJ/kg) 2.550,24 41.096,89

Podercaloríficosuperior(kJ/Nm3) 3.574,35 21.110,38

Podercaloríficosuperior(kJ/kg) 2.607,91 46.647,63

Fonte:AdaptadodeIPT(2007).

Tabela5.3–Propriedadedegasessiderúrgicos

Podercaloríficoinferior(kJ/Nm3)

ComposiçãodosgasesTemp.chamateórica(°C)

Excessoteóricodear Massaespecífica

(kg /Nm3)CO2 CmHn O2 CO CH4 H2 N2 Nm3/Nm3 Nm3/

MJ

FG 3.224 ,197 ,000 ,000 ,227 ,000 ,031 0,545 .300 ,61 ,19 1,34

OG 18.380 ,023 ,031 ,000 ,069 ,269 ,560 ,048 .130 ,50 ,25 0,45

DG 8.583 0,164 0,000 0,001 ,656 ,000 ,023 ,153 .020 ,61 ,19 1,34

Fonte:AdaptadodeHigashi(1982).

Figura5.12–EsquemadeprocessosiderúrgicointegradoecentraldecogeraçãoFonte:Larsson(2004).

Figura5.13–CentraldecogeraçãodaArcelorMittalFonte:IPT(2007).

Setordeceluloseepapel

Emlinhasgerais,duranteoprocessodecozimentodamadeira,naindústriadeceluloseepapel,ocorreadissoluçãodaligninaealiberaçãodesuasfibras.Asfibrasliberadasconstituemacelulosemarrom, que é enviada para processos de lavagem, depuração e branqueamento. A operação delavagem permite a separação da celulose (fibras liberadas) do licor negro (lignina + substânciasquímicas orgânicas e inorgânicas). A depuração é um processo de lavagemmais fino e que visaretirar possíveis aglomerantes entre fibras ou pequenas impurezas.O processo de branqueamentodevolveàceluloseacoloraçãobranca,principalmentepelaaplicaçãodereagentesqueadescolorem(Shreve;Brink,1977).

Depoisdobranqueamento,aceluloseaindaúmidaéenviadaparaafábricadepapel,ondepassaportrêsprocessosprincipais:oprocessodeprensagemérealizadomecanicamenteeserveparadarmaioruniformidadeàposiçãodasfibrascelulósicasnafolhaúmidaeaindaaumentarsuaresistência

antes de passar pelo processo de secagem; o processo de secagem é realizado aplicando-se umaquantidadecontroladadecalornafolhaúmidaparaqueestasequeporevaporação;apósoprocessodesecagem,asfolhaspassamporprocessosdecontroledequalidadeejápodemserembaladasemfardosparaseremvendidasempostoscomerciaisapropriados.

O processo kraft de produção de celulose e papel se inicia com o tratamento dos cavacos demadeiracomumasoluçãodehidróxidodesódio(NaOH)esulfetodesódio(Na2S),conhecidaporlixíviabrancaoulicorbrancoforte,ousoluçõesqueaestaseequivalham.Oobjetivodaaplicaçãodolicor branco é atingir amáxima dissolução possível das fibras celulósicas damadeira. Quando adissoluçãomáximaéatingida,otratamentocomlicorbrancoéinterrompido,bemcomooprocessodecozimento.Aduraçãodoprocessodecozimentoédecercadeduashorascomtemperaturasnafaixade160°Ca180°Cepressõesde0,75MPadentrododigestor(Shreve;Brink,1977).Ovaporinjetadonodigestoréprovenientedacentraldeutilidadesinstaladanafábrica,quetradicionalmenteconta com uma caldeira de recuperação química e uma caldeira convencional para queima debiomassa.

Apósoprocessonodigestor,acelulosemarroméproduzida.Juntocomacelulose,forma-seumsubproduto conhecido como licor negro43 (ou lixívia), que é importante, em termos funcionais eeconômicos,paraafábricadeceluloseepapel.Olicornegroéconstituídopela ligninadissolvidaduranteocozimentoe reagentesquímicosutilizadosno iníciodoprocesso.Apósocozimentoeaseparaçãodacelulosemarrominicia-searecuperaçãodolicornegroourecuperaçãodosprodutosquímicosdocozimento.Atualmentearecuperaçãodosprodutosquímicoséfeitaatravésdecaldeirasderecuperaçãoquímica(caldeirasTomlinson).

Quandoacelulosemarroméseparadadolicor,estetemumaconcentraçãodesólidosde15%eaindapossuisignificativaumidade.Parapoderutilizarolicornegroparaqueimaéprecisosubmetê-loaumprocessodeevaporação,afimdeseobtermaioresconcentraçõesdevolumedesólidosnomesmo.Quandoolicoratingeaconcentraçãodesólidosdesejada,jápodeserenviadoparaqueimanafornalhadacaldeiraderecuperaçãoquímicaeinicia-seoprocessoderecuperaçãodolicornegro;alémderecuperarassubstânciasquímicasutilizadasnoiníciodocozimento,essatécnicapermiteageraçãosimultâneadeenergiaelétricaevaporparaprocessos.Olicornegroinjetadonosbicosdoqueimadordacaldeirade recuperaçãoquímicaéconstituídopelamatériaorgânica,provenientedamadeira utilizada no cozimento, e pela parte inorgânica, formada pelas substâncias químicasutilizadasparaadissoluçãodasfibrasdamadeira.

Quando o licor negro é queimado, amatéria orgânica libera calor, utilizado na caldeira paragerarvapor.Aparteinorgânicasefundeeéextraídanofundodafornalhadacaldeiraderecuperaçãoquímica. O fundido retirado da fornalha, também conhecido como licor verde, é compostobasicamenteporsulfetodesódio(Na2S),umadasduassubstâncias iniciaisutilizadasnodigestor,ecarbonatodesódio(Na2CO3).Assim,aindahánecessidadedeserecuperarohidróxidodesódioparaoprocesso.AFigura5.14ilustraoprocessodeproduçãodecelulose.

Figura5.14–IlustraçãodoprocessodeproduçãodaceluloseFonte:HupaeHolmbom(2007).

DeacordocomPilavachi(1996),oprogramadeusoracionaldeenergianaindústriarealizadonaUniãoEuropeiatemdirecionadorecursosparapesquisaedesenvolvimentoemprocessosindustriais,eo setordepapelecelulosepodeserconsideradoum importantecomponente.Nessecontexto,osprincipais tópicosdepesquisa a seremabordados, comvistas a umamaior eficiência energética emaiorproteçãoambiental,são:

1)Operaçõesunitáriasavançadas:–intensificaçãodeprocessos(tornando-osmaiscompactos);–processosdeseparaçãomaiseficientes;–processosmultifuncionais;–novosprocessosquecombinemusoeficientedaáguaedaenergia;–novasoperaçõesunitáriasempregandoenergiasolar;–usoeficientedaeletricidade.

2)Engenhariadesistemas:–novasrotasdeprocessosenergeticamentemaiseficientes;–modelagemdesistemas.

3)Projetosintegrados(naindústria,construçãoeagricultura):– processos integrados, incluindo sistemas como turbinas, células combustíveis,motores decombustãointerna,bombasdecalor,armazenamentotérmico;– sistemas integrados, maiores e inovadores, incluindo aspectos socioeconômicos einstitucionais.

ParaBeeretal. (1998),osprocessosdeproduçãodepapelconsomemenergia térmicade3a9GJ/t de papel, especialmente para remoção de água adicionada às fibras, e de 1,3 a 2,9 GJ/t deeletricidade; de acordo com esta análise, uma combinação de novas técnicas de secagem e

prensagem,denovossistemasderecuperaçãodecalorlatente,assimcomoumasériedemelhoriasdemenorportepodemreduzirademandaespecíficadecalorentre75%e90%relativamenteàmédiaatual.

Martin et al. (2000) avaliam uma grande multiplicidade de tecnologias que podem serincorporadasaosetordeceluloseepapel,emconsonânciacomoquefoianteriormenteapresentado;assume importância, nocontextodopresente trabalho, adiscussão relativa àgaseificaçãodo licornegro.Tal tecnologia encontra-se ainda emdesenvolvimento epoderá, no futuro, ser utilizada emassociação a conjuntos a gás de geração de energia.De acordo com tais autores, o sucesso destatecnologia dependerá da disponibilidade de turbinas a gás que possam queimar gases de baixoconteúdoenergético(associadosaoinsuflamentodear)ouodesenvolvimentodegaseificadorescominsuflamentodeoxigênio.

Maunsbachetal.(2001)analisamcicloscombinadosbaseadasemconjuntosagáscominjeçãodevapor(STIG,SteamInjectionGasTurbine)econjuntosagásevaporativos(EvGT,EvaporativeGasTurbine) integrados a indústrias de celulose e papel; consideram a gaseificação de licor negro ebiomassaassociadaacicloscombinadosouasistemasSTIGintegradosacaldeirasderecuperação,bem como conjuntos a gás com queima externa combinada à tradicional caldeira de recuperaçãoquímica.AsduasconfiguraçõesapresentadasnaFigura5.15sãoaquelasassumidascomoadequadasparaaassociaçãodessa tecnologiaàpráticadacogeração;casoa temperaturadoarnãoalcanceonível esperado para a temperatura de entrada do conjunto a gás, um combustor auxiliar pode seracionado, queimando gás natural ou gás liquefeito de petróleo até que a malha de controle detemperatura identifique a nova condição. Para a cogeração, o calor dos gases de escape pode serrecuperadonaformadevaporparausoemumaunidadeconsumidoraouparaacionarumaturbinaavapor(Figura5.15(a)),assimcomosepodegeraráguaquentenaunidadeparalelaparaempregoemaquecimentodistrital(Figura5.15(b)).

Figura5.15–Unidadedegaseificaçãoexterna(a)seriale(b)paralelaFonte:Eidenstenetal.(1996).

EpílogodoCapítulo5

Nestecapítulo,procurou-seapresentaralgumasalternativasenergéticasespecificamentevoltadasao setor industrial; dessa forma, foi apresentado o hidrogênio como uma fonte combustívelsignificativaparaumfuturopróximo,masqueenfrentabarreiraspróprias,especialmenteemníveltecnológicoeeconômico.Foramtambémabordadasaspossibilidadesdeempregodohidrogênionaindústriaderefinodepetróleo,bemcomofoiabordadaarealidadedoempregodegasesdesíntesegeradosnoprocessosiderúrgicoeopotencialdegaseificaçãodolicornegronosetordecelulose.

Na sequência, apresentam-se propostas de taxonomia relativas à discriminação de tecnologiasavançadascomemissãonulaoumínimadeCO2,bemcomosãoexploradasasdiferentesopçõesdegeraçãoapresentadasemliteratura,buscando-seidentificá-lasnocontextodataxonomiaadotada.

35Aesserespeito,entende-sequenãodevehaverilusõesacercadopotencialdeplenoatendimentodasatuaiscondiçõesdeconsumodeenergiaapenascombaseemtecnologiasefontesenergéticasambientalmentefavoráveis,pelomenosparaaspróximasdécadas,dadaa limitação tecnológica de conversão energética do atual estado da arte dessas tecnologias e a falta de expectativa por umarevoluçãotecnológicaemsistemasdegeraçãodeenergiaemmédioprazo.

36 O reator de shift (ou de troca) é um reator auxiliar usado na conversão CO+H2O→ CO2+H2. Essa reação se processa comtemperaturarazoavelmentebaixasecomparadacomatemperaturadoreatorprincipal.

37A pesquisa das palavras-chaves “fuel cell” e “hydrogen” na base de dados ScienceDirect retornou 2.555 artigos em periódicosindexadosdaElsevier,em12.11.2007,e75.906artigosnamesmabaseem18.7.2012.

38Referenteaocomportamentodocatalisador,umpódenominado“zeólita”,cujaspartículastêmdimensãomédiade70µm.39Olefina é um hidrocarboneto alifático, ou seja, de cadeia aberta, apresentando pelomenos uma ligação dupla entre os carbonos.Olefinaédenominaçãodadaaosalcenos,devidoàpropriedadequeapresentaoeteno,primeiromembrodestasérie,dereagircomocloro ou o bromo e produzir compostos líquidos, oleosos e insolúveis na água, sendo o etileno uma das olefinas mais simples.Disponívelem:<http://pt.wikipedia.org/wiki/Olefina>.Acessoem:25abr.2007.

40Talreatoroperaentre600°Ce900°C,pressãopróximade101kPaerazãometano/oxigênioentre4e10(Hugilletal.,2005).41Paradetalhessobreofuncionamentodoreformadorcatalíticosugerem-seGaryeHandwerk(2001,p.192)eDOE(2006,p.13).42Ifpexoléummétododesaparaçãocriogênicadelíquidosqueutilizametanol,aoinvésdeglicol,parasupressãodopontodeorvalho(Disponívelem:<http://www.pall.com/pdf/hcp_oil_gas_journal_2001-04-16.pdf>.Acessoem:9maio2007).

43Háumadiscussãonosetordeceluloseepapelsobreamelhoradequaçãodaexpressão“licorpreto”paratalproduto.

6TECNOLOGIASAVANÇADASDEGERAÇÃODEENERGIACOM

REDUÇÃODEEMISSÃODECO2

“MaisavançadoQueamaisavançadaDasmaisavançadasDastecnologiasVirá!”

(CaetanoVeloso,“Umíndio”)

Introdução

Diversas publicações apresentam a questão da captura (ou sequestro, ou separação) earmazenamentodeCO2medianteumagrandeprofusãode tecnologias,quase todasnãousuais,quenãopermitemaosnãoiniciadossituarem-seadequadamenteanteagrandediversidadeevariabilidadedasdenominações.

Nestecapítulo,definem-seastecnologiascombaixaemissãodecarbonoeapresenta-sedemodogeralataxonomiadasdiferentesalternativasdeseparaçãoearmazenamentodeCO2.Nessecontextoseapresentacadaumdosconjuntosdesoluções,aspropostascomercialmentedisponíveiseaquelasque se apresentam como potencialmente adequadas para estarem disponíveis em médio e longoprazo.

Conceitossobretecnologiasavançadas

Abuscapor tecnologias avançadasque reduzamde forma significativa as emissõesdeCO2 naatmosfera tem sido objeto de intensas avaliações por parte tanto de universidades e centros depesquisaquantode empresas.Estasúltimasveemnesse temanãoapenasoportunidades comerciaisparasuasatividadesemmédioelongoprazos,masespecialmentesuacondiçãodesobrevivênciaemummercadocompetitivoeacadadiamaislimitadoporrestriçõesambientais.

Definem-se avançadas as tecnologias que se revelam melhores do que as convencionais emtermos de eficiência energética e/ou exergética, de menores emissões de espécies químicas e/ouenergia, demenores custos de investimento, demenores custos operacionais e/ou especializaçõesrequeridasparasuaoperação,eporumamaiorconfiabilidade(Lior,1997).Nessecontexto,surgeoconceito de tecnologias com emissão zero (ZET, Zero Emission Technologies), ou tecnologias

próximasdoníveldeemissãozero(NZET,Near-ZeroEmissionTechnologies).44Tecnologiasdeemissãozeroapartirdecombustíveis fósseis (carvão,gáseóleo)ebiomassas

referem-se a uma categoria de equipamentos e ciclos térmicos capazes de produzir formas deenergiaútilcomsignificativareduçãodeemissõesaomeioambiente,considerando-setodoociclodo combustível empregado (Otter, 2004). Segundo o mesmo autor, tais tecnologias sãoestrategicamenteimportantesporque:

–dãooportunidadedesuprimentoelétricocomemissõesdeCO2próximasdezeroempregandoos combustíveis que irão dominar globalmente a geração de energia em médio e longoprazos;

–conduzemaemissõesnãoconsideráveisdeparticuladosedeóxidosdeenxofreenitrogênio;–tambémcontribuemparaadiversidadeeconfiabilidadedosuprimentoelétrico.

Pelo fato demuitas das tecnologias de emissão zero representarem inovações tecnológicas naatualidade,estandosuagrandemaiorianacondiçãodedesenvolvimento,muitosdosvaloresaelasatribuídossãoprojeçõesfeitasporempreendedoreseespecialistasdaáreadeenergiacombasenatecnologiaatualeemprospecções.

De acordo com Clarke et al. (2008), o termo “tecnologia” refere-se ao amplo conjunto deprocessos que envolvem o conhecimento, a experiência e os equipamentos disponíveis, e é usadaparaproduzir serviçosemáquinas,bemcomo transformar recursos.Tecnologia refere-se tambémaoconhecimentoquedásuporteaoquepodeser feitoemoposiçãoaoqueestásendoutilizadonomomento–istoéconhecidocomofronteiratecnológica.Paraessesautores,amudançatecnológicainduzida consiste na alteração da taxa ou da direção com que o desenvolvimento tecnológico seconcretizacomorespostaaumapolíticaemparticular,ouaumasériedepolíticas.

Grübler et al. (1999) estruturam os estágios do desenvolvimento tecnológico em seis etapas,ilustrandoo comportamentodos custos associados,dadivisãodomercadocomercial eda taxadeaprendizado acerca de uma tecnologia, conforme Tabela 6.1. A tabela agrupa os estágiostecnológicosentreostiposdetecnologia.ConformeHendersoneClark(1990),tecnologiasradicaisintroduzemnovosconceitos,quesedestacamsignificativamentedaspráticasanteriores,aopassoqueas inovações incrementais refinam e melhoram processos existentes. As tecnologias incrementaisexploramopotencialdeprojetosestabelecidos(tecnologiasmaduras)efrequentementereforçamodomíniodemercadodasempresasquedetématecnologiaparaoseudesenvolvimentoeimplantação.

Tabela6.1–Estágiosdodesenvolvimentotecnológicoesuascaracterísticastípicas

Tipodetecnolog ia Estág io Mecanismos Custo Mercado

comercial Taxadeaprendizado

Radical

Invenção buscapornovasideiasequebrasdeparadigmas;pesquisabásica

elevado,masdifícildeseratribuídoaumaideiaouprodutoem

particular

0%incapazdeserexpressoemumacurvadeaprendizado

convencional

Inovação pesquisaaplicada,projetosdeP&D&D

elevado,crescentementefocadoemcertasideiaseprodutos

0%

incapazdeserexpressoemumacurvadeaprendizado

convencional;elevado(talvez>50%)seincluídasP&D&D

Incremental

Nichodemercadoecomercialização

identificaçãodenichosespeciaisdeaplicações,investimentosemprojetosdecampo;“aprenderfazendo”;relaçãoestreitaentreusuáriosefornecedores

elevado,mascomvaloresdeclinantespelapadronizaçãoda

produção

0%a5% 20%a40%

Difusão padronizaçãoeproduçãoemmassa;economiadeescala;montagemderedesefetivas

rapidamentedeclinante

rapidamentecrescente 10%a30%

Madura

Saturação

exaustãodemelhoriaspotenciaiseeconomiasdeescala;chegadadecompetidoresmaiseficientesnomercado;redefiniçãodenecessidadesdedesempenho

baixo,àsvezesdeclinante

máxima(até100%)

0%(àsvezespositivo,devidoàseveracompetição)

Obsolescênciadomíniodecompetidoressuperiores;inabilidadedecompetirporcontadaexaustãodepotenciaismelhorias

baixo,àsvezesdeclinante declinante 0%(àsvezespositivo,devido

àseveracompetição)

Nota:P&D&D–Pesquisa,DesenvolvimentoeDemonstração.Fonte:Grübleretal.(1999).

DeacordocomColpiereCornland(2002),baseadosemoutrostrabalhos,asrelaçõesentrepreçoe custo de uma tecnologia podem ser observadas na Figura 6.1, que é concordante com ocomportamento expresso na Tabela 6.1. O comportamento da curva de preço é explicado comosegue:na fasededesenvolvimentoospreços seriamestabelecidosvisando-sedefinirummercado,podendo ser até menores que o custo real pelo fato, por exemplo, de os fabricantes anteciparemmenorescustosfuturosdeprodução;nafaseseguinte,o líderdomercadopodeelevarseuspreçosporqueseuscompetidores,queestãoentrandonomercado,apresentamcustosdeproduçãomaioresqueodele;segue-seumafasededeclíniorápidodospreços,devidoàcompetição,posicionamentodomercado,dentreoutros;porfim,aestabilidadeéalcançada,asmargensdelucrovoltamparaosníveisnormaiseopreçosegueacurvadecusto.

Figura6.1–DiferençaentrepreçoecustodeequipamentosnaescaladeproduçãoFonte:ColpiereCornland(2002).

Taxonomiadastecnologiasavançadas

Apartir da revisão bibliográfica realizada, a divisão de tecnologias proposta porGöttlicher ePruschek(1997)semostrabastanteabrangente,sendoadotadanestetextocomoabasesobreaqualserão feitas as inclusões dos conceitos apresentados nas demais referências. De acordo com taisautores,cincofamíliasdetecnologiaspodemseridentificadas:

Família1

CorrespondeaprocessosemqueoCO2écapturadodogásdesíntese(noqualpredominamH2eCO2comaltapressão)produzidoviareformaavapor,oxidaçãoparcialdogásnaturalougaseificaçãodocarvão(Damenetal.,2006);ocombustívelficaricoemhidrogênioeéqueimadocomardepoisdaseparaçãodeH2eCO2.ÉpossívelaseparaçãodeH2eCO2comousemreaçãocatalíticadeshift*deCO.ParaFeron(2006),astécnicasdessafamíliatecnológicasãoadequadasparaseremempregadasquandodaimplantaçãodenovascentraisgeradorasdepotência.Eideetal.(2005)dãoataisprocessosonomedepré-tratamentooutecnologiasdepré-combustão;LyngfelteLeckner(1999)referem-seàmesmacomoreaçãodeshiftdeCO.AFigura6.2ilustratecnologiasdaFamília1.

Figura6.2–ProcessodaFamília1(pré-combustão)Fonte:LyngfelteLeckner(1999).

Família2

ProcessosnosquaiscombustíveléqueimadoematmosferadeoxigêniomisturadocomCO2recicladoe/ouvapor,resultandoemumfluxoconcentradodeCO2evapor(H2O (v)),quepodeserseparadoporcondensação.AoinvésdesepararoCO2dosgasesdeexaustão, tornando-ocompostobasicamentepornitrogênio,esseéremovidodoardecombustãoporumaunidadede separaçãodear (ASU,AirSeparationUnit), fatopeloqualFeron (2006)aele se referecomo“desnitrogenação”; no processo degeração de energia, o ciclo térmico queima o combustível com o oxigênio obtido no ASU. Eide et al. (2005) a ele se referem como oxy-fueltechnology.LyngfelteLeckner(1999)sereferemcomoprocessodecombustãoO2/CO2(O2/CO2firing).ParaLyngfelteLeckner(1999),partedoCO2éreinjetadonociclotérmico,atravésdosgasesdeexaustãorecirculados,paraseobterumgásdecombustãocompropriedadesadequadas.Feron(2006),entretanto,nãoidentificatalrecirculação.AFigura6.3ilustraatecnologiadaFamília2.

Figura6.3–ProcessodaFamília2(“desnitrogenação”ouoxy-fuel)Fonte:LyngfelteLeckner(1999).

Família3

IncluitodasasformasdegeraçãodeenergiabaseadasnaqueimadecombustíveisfósseisnasquaisoCO2éremovidodosgasesdeexaustão,apósacombustão,nopontoderejeiçãodosmesmosdaunidadedegeração.Essatécnica,segundoFeron(2006),érecomendadaparacentraisgeradorasdepotênciaconvencionais,àqualelesereferecomoprocessosdepós-tratamentooudepós-combustão,termoempregadotambémporLyngfelteLeckner(1999).Parataisautores,comoaenergiaparaaremoçãodoCO2éretiradadoprópriociclotérmicodegeraçãonaformadevapordebaixapressão,aeficiênciadoprocessodeproduçãodepotênciaéreduzida.AFigura6.4identificaalternativasdaFamília3.

Figura6.4–ProcessodaFamília3(pós-combustão)Fonte:LyngfelteLeckner(1999).

CabeobservarqueastecnologiasrelacionadasàsFamíliastecnológicas1e3serelacionamaseparaçãodeCO2anteseapósasuaproduçãonosgasesdeexaustãopormeiodeciclostérmicos,respectivamente,aopassoquenastecnologiasafeitasàFamília2ocorreaseparaçãodoaremsuasfrações(O2,N2,demodosimplificado)antesdaentradadestenociclotérmico.

Família4

IncluioprocessoHydrocarb,noqualocarbonoéseparadodocombustívelantesdacombustão.DesenvolvidopeloBrookhavenNationalLaboratory,oprocessoHydrocarbfoiconcebidoparaproduzircarbonoemetanolapartirdecarvãocomexcessodehidrogênio,obtidoapartirdeumgásdeprocessoricoemmetano,oqualétermicamentedecompostoemumreator(Lane;Spath,2001).DeacordocomSteinberg(1997),oprocessoHydrocarbébaseadoemtrêsreações–ahidrogaseificaçãodocarvão,adecomposiçãodometanoeasíntesedometanol–cujareaçãocompletaéCH1,4O0,7+0,34CH4→0,66C+CH3OH.Ocarbonoliberadopodeserutilizadoemalgumprocessoouarmazenado.AFigura6.5ilustraoprocesso.

Figura6.5–Processodafamília4(processoHydrocarb)

Fonte:Steinberg(1997).

Família5

IncluiprocessosdeseparaçãodeCO2comcélulascombustíveisadequadasparausodegasesderivadosdecombustíveisfósseis.Eideetal.(2005)relacionamcélulascombustíveisea tecnologiade loopquímico(chemicallooping) como tecnologiasnasquaisnãoocorremmisturas (un-mixedtechnologies).

Umavezqueasfamíliastecnológicas1e3apresentamprocessosdeseparaçãodeCO2,aopassoqueaFamília2contacomumaunidadedeseparaçãodear,considera-seimportantecaracterizarastecnologiasempregadasnaseparaçãodearedeCO2.SmitheKlosek(2001)identificamoconjuntodastecnologiasdisponíveisparaseparaçãodear,asaber:

1) processo criogênico: A criogenia é atualmente o meio mais eficiente e de melhor relaçãocusto/benefício das tecnologias disponíveis para produção de grandes quantidades denitrogênio,oxigênioeargôniocomoprodutoslíquidosougasosos.Segundo Wimer et al. (2006), a tecnologia de separação de ar por criogenia vem sendocomercializadadesdeoiníciodoséculoXXeempregadestilaçãodebaixatemperaturaparaseparar o ar atmosférico em seus três componentes principais, sendo empregada quaseexclusivamenteparaaplicaçõesquedemandem100toneladaspordiaoumaisdeoxigênio.Por serem muito próximos os pontos de ebulição do oxigênio e argônio, separá-los, emconjunto,donitrogêniopresentenoarpodeserfeitopormeiodedestilaçãocomusodeduascolunas, gerando oxigênio com 95% de pureza e nitrogênio com 98% de pureza. Se anecessidadedepurezadooxigêniosuperaressepatamar,umaterceiracolunapararemoçãodoargôniodeveserempregada.Sistemas criogênicos de separação de ar são projetados para processamento de ar compressões entre 0,44 MPa e 0,72 MPa, e os produtos da separação deixam a unidade compressõespróximasdaatmosférica(Wimeretal.,2006).Avantagemdapressãoelevadanessetipo de equipamento reside no fato de torná-lo mais compacto, reduzindo o custo deinvestimentodaunidadedeseparaçãodear;outrapotencialvantagemseriaapossibilidadedeinjeçãodonitrogênio,notodoouemparte,nasturbinasagás,oquetornariaoprocessodeseparaçãodeareconomicamenteviável.

2)processosnãocriogênicos:osprocessosnãocriogênicos,emboranãoapresentemaindaplenacondição de maturidade tecnológica, são aqui apresentados por sinalizarem potencial defuturoempregoemsistemasenergéticos:

–adsorção:adsorção,segundoCosta(1982),éofenômenopeloqual,pondo-seumamisturadefluidosemcontatocomumsólido,umdosfluidoséretidopelosólido,resultandoemumenriquecimentodofluidonãoadsorvido.Os processos de adsorção são baseados na capacidade de alguns materiais naturais esintéticos de adsorver preferencialmente nitrogênio. No caso de zeólitas,45 camposelétricos não uniformes existem nos espaços vazios do material, causando adsorçãopreferencialdemoléculasquetenhammaiorcapacidadedepolarizaçãodoqueaquelasqueapresentemmaiores momentos quadripolares eletrostáticos (Smith; Klosek, 2001). Comisso,naseparaçãodoar,moléculasdenitrogêniosãomaisfortementeadsorvidasdoquemoléculas de oxigênio e argônio; quando o ar é passado em um leito de zeólitas, onitrogênioéretidoeumfluxoricoemoxigêniodeixaoleito.Nosprocessosdeadsorção,arpressurizadoéforçadoapassaremumvasoquecontémomaterialadsorvente;onitrogênioéadsorvidoeumfluxoricoemoxigênioéproduzidoaté

queo leito esteja saturadodenitrogênio.Nesseponto,o ar frescoé enviadoaumnovovaso e a regeneração do primeiro vaso é iniciada por aquecimento ou por redução dapressãodo leito,oque reduza capacidadedeequilíbriodonitrogênionoadsorvente.Otempodeciclomaisrápidoeaoperaçãosimplificadapelareduçãodepressãodoleitofazdesseométodomaisutilizado.

– processos químicos: uma série demateriais tem capacidade de absorver oxigênio em umconjunto de diferentes pressões e temperaturas, bem como liberá-lomediante diferentesestadostermodinâmicos.OprocessodesenvolvidopelaempresaAirProductsandChemicalsébaseadonaabsorçãodo oxigênio presente em um fluxo pormeio da circulação de um fluxo de sal fundido,seguidodasua liberaçãoatravésdecaloroureduçãodapressãonofluxodesal.ÁguaeCO2devemserremovidospordegradaremtalsal.O ar é circulado sobre o leito até que a saturação do leito seja alcançada; os leitos sãotrocadoseoleitosaturadoéregeneradopornitrogênioseco,provenientedoprocesso.Arquentequefluidoabsorvedorentraemcontatocomosalfundidoeooxigêniodoarreagequimicamentecomosal,sendoremovidocomosallíquidoquedeixaoabsorvedor.

–membranas poliméricas: esse processo se baseia na diferença de taxas de difusão entre ooxigênio e o nitrogênio através de umamembrana que separa fluxos de alta e de baixapressão.Ofluxoeaseletividade46 sãoduaspropriedadesquedeterminamaatratividadeeconômicadesistemasdemembranas,eambossãofunçãodomaterialempregadoparaaproduçãodamembrana.Devido à menor dimensão da molécula de oxigênio, muitas membranas são maispermeáveisaessedoqueaonitrogênio.Sistemasdemembranassãogeralmentelimitadosàproduçãodearenriquecidodeoxigênio,com25%a50%dessenacomposição.

–membranade transportede íons: sãomateriais cerâmicosdeóxido sólido inorgânicoqueproduzem oxigênio pela passagem de seus íons através de uma estrutura de cristalcerâmico.Operandoemtemperaturaselevadas,emgeralsuperioresa590°C,asmoléculasde oxigênio são convertidas em íons de oxigênio na superfície da membrana etransportadasnamembranapelaaplicaçãodeumavoltagemelétricaoupordiferençadepressãoparcialdesseelemento,peloqueasmoléculasreformadasdeoxigêniopassampelamembrana. Esse processo seria adequado à integração com processos de geração deenergiaquerequeremoxigêniocomomatéria-primaparaacombustãoougaseificação.

ATabela6.2apresentaumacomparaçãotecnológicaentreasdiferentestécnicasdeseparaçãodear e a situação atual de cada tecnologia.Embora empregando uma classificação diferenciada paraexporasituaçãoatualdosprocessos,nãonecessariamenteconcordantecomasdefiniçõesexpressasnaTabela6.1ebemmenosprecisas,decidiu-sepormanteranomenclaturaoriginaldotrabalho.

Tabela6.2–Comparaçãotecnológicaentreprocessosdeseparaçãodear

Processo Estág ioatual Fluxoeconômico Limitedepureza(%vol) Tempodepartida

Adsorção quase-madura <150tpd 95% minutos

Processoquímico desenvolvimento n.d. 99%oumais horas

Criogenia Madura >20tpd 99%oumais horas

Membranapolimérica quase-madura <20tpd ~40% minutos

Membranadetransportedeíons desenvolvimento n.d. 99%oumais horas

Nota:n.d.–nãodisponível;tpd–toneladaspordia.Fonte:Wimeretal.(2006).

ProcessosdeseparaçãodeCO2sãoaquiapresentadossobaópticadeGambinieVellini(2003);segundo esses autores, há dois principaismétodos factíveis para a remoção deCO2 dos gases deexaustãodecentraisgeradorasdepotência,queseriamaabsorçãofísicaeaabsorçãoquímica.

Aabsorçãopodeserumprocessopuramentefísicoouseguidoporreaçõesquímicas,dependendodograudesolubilidadedosolutonosolvente(Leiteetal.2005).Alémdisso,argumentamosmesmosautoressobreanecessidadedeseconhecerosprincípiosdaabsorçãofísicaparaoentendimentodoprocesso químico, já que métodos clássicos de projetos aplicados em equipamentos de absorçãofísica,porprocessoisotérmicoouadiabático,têmsidoaplicadosemprojetosdeequipamentosqueenvolvemabsorçãoquímica.

GambinieVellini(2003)comentamaindaacercadanecessidadedeserealizar,apósaseparaçãodoCO2 dos gases de exaustão, sua compressão, liquefação e desidratação, demodo a que oCO2

possa ser transportado, utilizado ou estocado sem futuro gasto energético.Uma secagem final doCO2 é tambémnecessária pelo fato de a combinação domesmo com a água formar uma soluçãocorrosiva, istoé,CO2+H2O→H2CO3,queéoácidocarbônico;paraesteprocesso,estimamquesejamnecessários0,44MJ/kgdeCO2recuperado.

AabsorçãofísicaconsisteemdissolveroCO2pormeiodeumsolvente,ecomoasolubilidadedoCO2aumentacommaiorespressõesemenorestemperaturas,essemétodotemdeseroperadocomtaiscondições.Depoisdaabsorçãofísica,oCO2éretiradodosolventeporumprocessopaulatinodereduçãodapressão.

DeacordocomLeiteetal.(2005),ascolunasdeabsorçãoincorporamdispositivosauxiliaresdecontato líquido-gás para o aumento da área efetiva de transferência de massa, os pratos, que,dependendo das características físicas e mecânicas, podem ser perfurados, valvulados ou decampânulas, e apresentam diferentes características operacionais. Conforme Song e Salvagnini(1999), a alimentação é tipicamente realizada pelo fundo da coluna e constituída de uma misturagasosa(solutomaisoinerte);osolventeé,então,alimentadopelotopodacoluna.Ospratosdevempermitirumbomcontatoentreasduasfasesdentrodacoluna.Gás tratadoemaispurificado(commenor teorde soluto) sai no topoda coluna e a solução líquida sai embaixo.A razãopelaqual osolutosaidogásepassaparaafaselíquidaéaexistênciadeumadiferençaentreaconcentraçãodosolutonafasegasosaeanogásemequilíbriocomolíquido(interfacedasduasfases).

Como os gases de exaustão de ciclos térmicos se encontram com pressões próximas daatmosférica,paraaretiradadeCO2ofluxodegasesdevesercomprimidoatéumvaloradequadodepressãopara o qual a retirada doCO2 seja possível, o que representa um consumode energia noprocessodecompressão;poressarazão,GambinieVellini(2003)afirmamqueaabsorçãofísicanãoérecomendadaparaotratamentodegasesdeexaustãonosprocessosdepós-combustão(Família3);entretanto, o mesmo pode ser conveniente para processos de pré-tratamento de gases, sendointegradosaprocessosdegaseificaçãocaracterísticosdetecnologiasidentificadascomaFamília1.

Damenetal.(2006)sugeremqueaabsorçãofísicaémenosintensiva,emtermosenergéticos,queosprocessosdeabsorçãoquímicaecitamoempregodeSelexol47comoprodutoaserempregado.LyngfelteLeckner(1999)sugeremoempregodaMonoetanolamina(MEA)comoabsorventefísicoemprocessosdepós-combustãocomoamelhoralternativa,umavezqueelaéregeneradaporumatemperaturaelevada.

OprocessoconhecidocomoabsorçãoquímicaéomaisadequadoàseparaçãodoCO2dosgasesquandooCO2 apresenta baixa concentração (5% a 15% em volume) no fluxo de gases à pressãoatmosférica.AabsorçãoquímicadoCO2consistededuasetapas:

1)absorçãodoCO2porsolventesquímicosembaixatemperatura(entre40°Ce65°C);e2)ArecuperaçãodoCO2dossolventesquímicosempregandocalordebaixatemperatura(entre

100°Ce150°C),geralmenteobtidodoprópriociclotérmico.

Soluções aquosasde aminas absorvemCO2 por complexas reações químicas que dependemdediversasvariáveis,comoapressãodoabsorvedor,avazãodosolvente,aconcentraçãodosolventeeonúmerodepratosutilizadosnacolunadeabsorção.Diferentessolventespodemserempregadosnoprocesso de absorção química, dentre eles a Monoetanolamina (MEA), Dietanolamina (DEA),Diisopropanolamina (DIPA), Diglicolamina (DGA),Metildietanolamina (MDEA) e Trietanolamina(TEA).

No estudo conduzidoporChakma et al. (1995), ao compararem tais solventes, concluíramqueMDEAeTEAnãoeramcapazesdealcançarocritérioestabelecidonapesquisaderetiradade95%doCO2 com 40 pratos na coluna do absorvedor. AMEA foi a que requereu a menor quantidade deenergia,comparativamenteàsdemaisaminas,assimcomorequereuomenornúmerodepratos.Dopontodevistadaefetividadedecusto,nenhumdossolventesembasealcalinoaminaparatratamentodoCO2semostroutãocompetitivoquantoaMEAa20%ou30%emmassa.Feron(2006)tambémcitaoempregodeMEAa30%,incorporandoaditivosparacontroledacorrosão,nosprocessosdepós-combustãopropostospela empresaFluorDaniel, e soluçãode15%a20%deMEApropostospelaABB-Lummus.AFigura6.6ilustraoprocessodeabsorçãodoCO2comempregodeMEA.

Figura6.6–ProcessodeabsorçãodeMEAempós-combustão

Fonte:LyngfelteLeckner(1999);Feron(2006).

Análisedealternativastecnológicasapresentadasnaliteratura

Aáreadegeraçãodeenergiaapresentaciclos térmicosclássicosealgumas inovaçõesque têmsidopesquisadas,emgeralcomobjetivosvoltadosaoaumentodaeficiênciatérmica,aproveitamentode combustíveis residuais ou redução das emissões atmosféricas. Como o foco deste capítulo éresgatar as alternativas tecnológicas com potencial de minimização das emissões de CO2,apresentam-senoApêndice1algumasconsideraçõessobreciclostérmicosclássicoseasvariantesdeinovaçãotecnológicaemdesenvolvimento.

Otter(2004)apresentaumquadrodasopçõestecnológicasparareduçãodeCO2eoseuestágioatual, bem como as classifica de acordo com as Famílias tecnológica 1 a 3; as considerações doreferidoautorsãoapresentadasnaTabela6.3.Damenetal.(2006),porsuavez,consideramsistemassimilaresaosdeOtter(2004)juntoaoutrossistemasdegeraçãodeenergia,discriminandotambémasvertentestecnológicasconsideradas.ATabela6.4descreveastecnologiasconsideradasporDamenetal.(2006)easrespectivasfamíliastecnológicas.

Tabela6.3–PossíveistecnologiascomcapturadeCO2

Tecnolog ia Estág ioatualdatecnolog ia

Famíliatecnológ icaconsiderada

Ciclocombinadocomgaseificaçãointegrada(IGCC) nova pré-combustão(1)

CCGTereatordeshiftdeCO nova pré-combustão(1)

Ciclotérmico,combustívelpulverizadoelimpezadegases melhoria pós-combustão(3)

Ciclotérmico,combustívelpulverizado,limpezadegasesecombustãocomoxigênio melhoria oxy-fuel(2)

Ciclotérmicocomcaldeirasupercrítica,combustívelpulverizadoelimpezadegases novaoumelhoria pós-combustão(3)

Ciclotérmicocomcaldeirasupercrítica,combustívelpulverizado,limpezadegasesecombustãocomoxigênio novaoumelhoria oxy-fuel(2)

CCGTcomlimpezadegases melhoria pós-combustão(3)

CCGTcomnovosgaseificadoresdecarvãoparaefetivamenteproduzirumaunidadeIGCC melhoria pré-combustão(1)

Notas: IGCC – integrated gasification combined cycle; CCGT – ciclo combinado com conjunto a gás (combined cycle gas turbine).Fonte:Otter(2004).

Tabela6.4–PossíveistecnologiascomcapturadeCO2

Tecnolog ia Tecnolog iadecapturaeseparaçãodeCO2 Famíliatecnológ ica

Ciclotérmicoacarvãopulverizado(PCPP)

UsodeO2puroproduzidoporseparaçãocriogênica oxy-fuel(2)

AbsorçãoquímicausandoMEA pós-combustão(3)

Ciclocombinadocomgásnatural(NGCC)

SeparaçãodeCO2eH2porabsorçãofísicaouquímicaecombustãodeH2emconjuntoagáspré-combustão

(1)

CicloscomASUconvencionalparaproduzirO2purodevemserdistinguidosdecicloscomocentraisgeradorasdepotênciaAZEPecombustãoemloopquímico

oxy-fuel(2)

AbsorçãoquímicausandoMEA pós-combustão(3)

Ciclocombinadocomgaseificaçãodecarvãointegrado(IGCC)

ReatordeshiftinstaladoapósaseçãodelimpezadegásparaconverteroCOpresentenogásdesínteseemCO2eH2poradiçãodevapor

pré-combustão(1)

UmgrandeASUprovêO2paraacombustãodegásdesíntese;novasturbinasagás,projetadasparaoperaremcomCO2/H20comofluidodetrabalho

oxy-fuel(2)

Absorçãoquímicainstaladaapósoconjuntoagás;semreatordeshiftoumodificaçõesnoconjuntoagás

pós-combustão(3)

Célulascombustíveis(FC)

CO2capturadoapósacélulacombustível,queimandogásnaturaloudesíntese “pré-captura”

CO2removidoapósogásdesíntesesofrerreaçãodeshift,porsolventefísico,membranasouadsorção

“pós-captura”

Nota:ASU–AirSeparationUnit;AZEP–AdvancedZeroEmissionPowerPlants;FC–FuelCell;PCPP–PulverizedCoalPowerPlant;NGCC–NaturalGasCombinedCycle;MEA–Monoetanolamina.Fonte:Própria,baseadoemDamenetal.(2006).

ParaDamenetal.(2006),asfamíliastecnológicasseresumemàstrêsprimeirasdataxonomiadeGöttlicherePruschek(1997),umavezque,emseuentendimento,célulascombustíveisesistemasqueutilizam o conceito de loop químico (que equivaleria à Família tecnológica 5) correspondem aoconceitodedesnitrogenação(oxy-fuel,ouFamília2);referem-seàscentraisgeradorasdepotênciadeemissão zero (AZEP, Advanced Zero Emission Power Plants) como sendo conceito oxy-fuel. AFamília tecnológica 4, que se refere ao sistema Hydrocarb, não é considerada pelos primeirosautorescertamenteporseressaumatecnologiaquesurgiunadécadade1990comoumapromessadeconversãoeficienteparaocarvão,masquenãoapresentoucontinuidadeaolongodaúltimadécada,comoseapresentaránasequência.

São apresentados, nos itens seguintes, diferentes opções tecnológicas publicadas na literaturatécnicaequeseenquadramnecessariamenteemumadasrotastecnológicasassumidasnataxonomiade Göttlicher e Pruschek (1997), buscando-se não apenas identificar seus pontos favoráveis e/oudesfavoráveis. Tecnologias que apresentam multiplicidade de classificações, como o IGCC, sãodiscutidasàparte.

Família1(pré-combustão)

A definição das tecnologias associadas à Família 1, ou de pré-combustão, corresponde aosprocessos em que oCO2 é capturado do gás de síntese produzido via reforma a vapor, oxidaçãoparcialdogásnaturalougaseificaçãodocarvão(Damenetal.,2006),peloqueocombustívelficarico em hidrogênio e é queimado com ar depois da separação de H2 e CO2, sendo possível aseparaçãodosmesmoscomousemreaçãocatalíticadeshiftdeCO.

De acordo com Otter (2004), os processos de pré-tratamento se destacam positivamente emrelaçãoaopós-tratamento(Família3)porproduziremummenorvolumedegases ricosemCO2aseremtratados.Issoreduzasdimensõesdaunidadedeseparaçãodessegás,reduzindodessemodoocusto de investimento do componente correspondente. Além disso, a maior concentração de CO2

permite que técnicas de separação menos seletivas sejam empregadas, reduzindo a quantidade deenergiaconsumida.

A gaseificação de produtos como carvão, resíduos de refinaria e biomassas produz um gássintéticocombustível,ogásdesíntese(syngas).Comomuitasdastecnologiasavançadasapresentadasnaliteraturasebaseiamnacombustãodegásdesínteseemconjuntosagás,quesãoprojetadasparaqueimade gás natural ou certos combustíveis líquidos, necessária se torna a análise da conversãodesses conjuntos ao novo combustível. O artigo de Wimer et al. (2006) apresenta resultadosinteressantesaesserespeito.

De acordo com tais autores, o gás natural, composto predominantemente por metano, querepresentamaisde93%doseuvolume,tempodercaloríficoinferiorde35MJ/m3.Ogásdesíntese,porsuavez,écompostoprincipalmentedehidrogênioemonóxidodecarbono,mascomumafração

significativa (mais de 50%) de compostos não combustíveis (como vapor, dióxido de carbono enitrogênio), tem poder calorífico bem menor – entre 9,3 MJ/m3 e 11,2 MJ/m3, segundo GTW(2007a).48Asdiferençastantonacomposiçãoquantonopodercaloríficoconduzemadoisdesafiosprincipais para a adaptação dos conjuntos a gás, ambos podendo ser parcialmente equacionadosintegrandooconjuntoagáscomaunidadedeseparaçãodear:

– acomodar diferentes características de combustão: recentemente passou-se a empregarcombustores de baixo NOx em conjuntos a gás que queimam gás natural; por conta daacomodaçãodascaracterísticasdecombustãodogásdesíntese,deve-seempregarcâmaradecombustãodedifusãodeumestágio,demodoaevitarpontosquentesecontrolaraformaçãode NOx (evitar pontos quentes é mais difícil por conta da elevada temperatura de chamaadiabáticadohidrogênio,de2.047°C,edoCO,de2.100°C,contra1.875°Cdometano,comocitado por Wimer et al., 2006). A temperatura de entrada na turbina (TIT, Turbine InletTemperature)éentãoreduzidapelaintroduçãodediluentes,comooN2obtidonoASU,vapordebaixapressãodacaldeiraderecuperação,ouágua.TestesrealizadospelaempresaGeneralElectricdemonstraramque,comadiluição,opodercaloríficodogásdesíntesecaiparaalgoentre4MJ/m3e5MJ/m3,oqueconduzaemissõesdeNOxdaordemde10ppmvd(partepormilhãoemvolume,seco)com15%deexcessodeO2,aindaquemantendoaTITem1.400°C.ValorescomerciaisdeemissãodeNOxalcançam15ppmvd com 15% de excesso deO2. A introdução de diluente pode ser feita diretamente nacâmara de combustão ou em pré-mistura com o gás de síntese; se não realizadaadequadamente, a diluição pode resultar em degradação da estabilidade da chama, comconsequenteapagamentodamesmaoumaisemissãodeCO(Wimeretal.,2006).

–acomodarmaioresvazões (volumétricaseemmassa)decombustívelegasesdecombustãonacâmaradecombustãoenoconjuntoagás:apotênciadeumconjuntoagásédependentedesuavazãoemmassa;devidoalimitesmecânicos,comotorqueelinhadeentupimento(surgeline),háumavazãoemmassamáxima(econsequentepotência)queoconjuntoagáspodesuportarcomsegurança.Para umadada vazão emmassa de ar que entra na câmara de combustão, o conjunto a gásrequer umdeterminado conteúdo energético do combustível que é independente do produtoempregado. Isso significa que, ao se utilizar um gás de síntese com poder calorífico (emmassaeemvolume)muitomenorqueodometano,umaquantidademuitomaioremmassa(tipicamente, cinco a seisvezes) e emvolume (tipicamente, quatro a cincovezes)degásdesínteseseránecessáriaparaamesmanecessidadeenergética.

A razão típica entre a vazão de gases de exaustão e a vazão de ar para um conjunto a gásutilizandogásnaturalvaria entre1,02e1,03;quandoopera comgásde síntese, tal razão se elevapara 1,16 (Wimer et al., 2006). Alguns expedientes poderiam ser utilizados para acomodar talaumentodevazão,taiscomo:trocaradiluiçãoviaN2pelaumidificaçãodogásdesíntese;operaroconjuntoagáscomoinjetordeentradaparcialmentefechadoouaindaextrairardocompressordoconjuntoagáseenviá-loaoASUparareduziravazãonoconjuntoagás.Quaisquerdelesirãocausarimpactosemtermosdeeficiênciaegeraçãodeenergiaquedevemserconsideradosnaanálise.

O processo de gaseificação de carvão pode ser feito com injeção de ar ou de oxigênio. Agaseificação com injeção de oxigênio produzido pelo ASU criogênico é a que se encontra emsistemasIGCCcomercialmentedisponíveis,e,maisraramente,empregandoarobtidodeextraçãodo

compressor do conjunto a gás. Sistemas de gaseificação com injeção de ar ainda necessitamestabelecerumhistórico;vantagenscompetitivaspoderiamseralcançadascoma injeçãodearporseresseumprocessodemenorcustoqueoprocessodeinjeçãodeoxigênio(eliminaanecessidadede ASU, que representa elevado peso ao custo de investimento final)49 e por requerer menorpotênciaparaoperação(GTW,2007a).Poroutrolado,todooN2inertedoardeprocessoécarreadoao gás de síntese, dobrando praticamente a dimensão da unidade de limpeza de gases, inclusive osistemadecapturadeCO2.Alémdisso,ogásdesínteseproduzidonosistemadegaseificaçãocominjeçãodearcontacomumpodercaloríficoinferiorqueécercademetadedoqueseobtémcomagaseificaçãoporinjeçãodeoxigênio(GTW,2007a).

Em gaseificadores com injeção de oxigênio, a alta pressão do fluxo de gás de síntese e arelativamenteelevadaconcentraçãodeCO2 (cercadeumterçoporvolume)permitemaefetividadedoprocessodeabsorçãodesolvente.OsolventeéregeneradopelareduçãodapressãoparaliberaroCO2,coletando-oeenviando-oaocompressor.Comoregraprática,com90%decapturadoCO2épossívelalcançarcercade1toneladadeCO2porMWhlíquidogerado.Nagaseificaçãocominjeçãode ar as concentrações de CO2 são muito menores e a remoção se torna mais difícil devido aoelevadoconteúdodeN2 presente no gás de síntese. Isso contrabalança alguns dos benefícios desteúltimodesercapazdeeliminaroureduzirasdimensõesdoASU(Jaeger,2007a).

Cadaprocessodegaseificação(comarouoxigênio)apresentacaracterísticasoperacionaisúnicasque se refletem na composição do gás de síntese: as diferenças incluem a razão carbono/ar,necessidades de vapor para o processo, pressões e temperaturas operacionais, método deresfriamentodogásdesínteseantesdeenviá-loparalimpezaeposteriormenteparaoconjuntoagás.OutravariávelimportanteporcontadacrescentepreocupaçãocomareduçãodasemissõesdeCO2

dizrespeitoautilizar-seounãoreatordeshift,noqualvaporéadicionadoaogásparaconverterCOemCO2eformarH2adicional.OCO2éentãoremovidodogásdesíntesecomopartedoprocessodelimpezaeremoçãodegasesácidos(AGR,AcidGasRemoval),projetadopararemoverenxofrenaforma deH2S. O gás de síntese sai do AGR como um combustível formado basicamente por H2

(GTW,2007a).As duas propostas de configurações apresentadas na sequência são classificadas nessa rota

tecnológica; a estrutura apresentada em Lozza e Chiesa (2002a) apresenta um ciclo combinadoassociadoaprocessodeoxidaçãoparcial50(Figura6.7),comabsorçãodeCO2porprocessofísicoouquímico.AconfiguraçãoapresentadaemLozzaeChiesa(2002b)envolveciclocombinadocomreformademetanoporusodevapor(Figura6.8).

Figura6.7–Ciclocombinadocomoxidaçãoparcial,segundoLozzaeChiesa(2002a)

Figura6.8–Ciclocombinadocomreformaavapor,segundoLozzaeChiesa(2002b)

EmLozzaeChiesa(2002a)são testadas,paraamesmaconfiguração, tantoaabsorçãoquímicaquanto a física de CO2 com oxidação parcial. A comparação entre essas duas configurações e a

apresentadaemLozzaeChiesa(2002b),comreformadordevapor,todaselascom90%decapturadedióxido de carbono, revela que a configuração com oxidação parcial de gás natural e absorçãoquímicadeCO2éaqueseapresentamaispromissora,comeficiênciade48,5%.Odesempenhodosistema com oxidação parcial e absorção física é comparável, mas com custo de investimentosuperior.Osistemacomreformadordevaporapresentapotênciageradaeeficiênciainferiores,masproduzhidrogêniocom95%depureza,enquantoaoxidaçãoparcialgeracombustívelcomgrandediluiçãodenitrogênio.

Família2(“desnitrogenação”ouoxy-fuel)

NosprocessosdaFamília2, umcombustível équeimadoematmosferadeoxigêniomisturadocomCO2 recicladoe/ouvapor, resultandoemumfluxoconcentradodeCO2evapor,quepodeserseparadoporcondensação.UmaunidadedeseparaçãodearéempregadapararemoveroN2doardecombustão e no processo de geração de energia, o ciclo térmico queima o combustível com ooxigênioobtidonaASU.

O emprego de nitrogênio como um diluente pode aumentar a vida útil dos componentes deconjuntos a gás e reduzir a formação deNOx térmico por eliminar pontos quentes (hot spots) nacâmaradecombustão.Adiluiçãodenitrogêniopodeserespecialmentebenéficaparaconjuntosagásqueoperamemambientesdeelevadatemperaturaambiente,equesofremcomabaixadensidadedoar ambiente (Wimer et al., 2006); além disso, a injeção de nitrogênio representa um aumento depotênciadesaída(entre20%e25%)noconjuntoagásnamedidaemqueaumentaavazãoemmassacirculante(GTW,2007a/b).

A integraçãoentreaASUeaextraçãodeardocompressordoconjuntoagásé recomendada,umavezquerepresentaumprocessodemelhoriaenergéticapelareduçãodoconsumodepotênciaauxiliar,reduzoscustosdeumcompressordearextraemelhoraaeficiênciaglobaldainstalação.Recomenda-se que a extração de ar do compressor do conjunto a gás se situe entre 30% e 40%(GTW,2007b).Segundoaliteratura,30%representamumvalorótimoparaobalanceamentoentreamaximização entre geração de energia e eficiência sem comprometer a disponibilidade ou aconfiabilidadeda instalação,e50%seriaovalorsugeridocomolimitebaseadoemexperiênciadaSiemens(GTW,2007c).QuandoogásdesíntesericoemH2édiluídoem50%deN2paraocontroledeNOxeaumentodepotênciagerada,opodercaloríficodamisturacaiaproximadamenteàmetade(Jaeger,2007a).

Shaoetal.(1995)apresentamoestudodeumcicloconcebidodeacordocomarotatecnológicadaFamília2.AalternativacontacomumcombustívelqueimadoematmosferadeoxigêniomisturadocomCO2 recicladoe/ouvapor, resultandoemumfluxoconcentradodeCO2 evapor separadoporcondensação,comoxigêniofornecidoporASU,conformeaFigura6.9.Aproposta,concebidacomoP2C2(PowerPlantwithCO2Capture),queimaumhidrocarbonetoenriquecidocomoxigêniogeradoemumASU,cujoresultadoéumgáscompostoporCO2eH2O;aáguaécondensadaereutilizada,enquantoqueoCO2éreinjetadonacâmaradecombustãodoconjuntoagás.Paraisso,osautoressevalem do conceito de um separador de ar integrado ao sistema de captura de CO2, denominadoAS/CC(AirSeparation/CO2Capture).

Figura6.9–CicloP2C2,propostoporShaoetal.(1995)

AinstalaçãopropostaporYantovski(1996)contacomumseparadordeareacombustãodeumcombustível arbitrário que, uma vez gaseificado e limpo, é misturado com oxigênio e CO2

recirculadodosistemadegeraçãodeenergia(asanálisesforamfeitasparaqueimademetano).OgásricoemCO2geradonacâmaradecombustãoéenviadoaturbinasagás(sãoduasunidades,umacomreduçãodepressãode24MPapara6MPa,a600°C,eoutracomreduçãodepressãode6MPapara0,4MPa,a1.200°C).AconfiguraçãoapresentadacontacomtrêstrocadoresdecalorquerealizamoresfriamentodofluxodegásricoemCO2anteseapóssuaentradanocompressor,eaparcelalíquidaentãoformadaérecolhidaedestinadaemlocaladequado(aquíferos,porexemplo);apartirdeentão,ofluxodegásricoemCO2éaquecidoerecirculadoparaentradanogaseificador.AconfiguraçãoexibidanaFigura6.10nãoapresentachaminénemgasesdeexaustãoliberadosparaaatmosfera.

Figura6.10–CiclodeemissãozeropropostoporYantovski(1996)

OtrabalhodeMathieueNihart(1999)apresentaumciclodeCO2denominadoMATIANTqueseencontrailustradonaFigura6.11.TalcicloéumamelhoriadocicloCOOPERATE(CO2PreventedEmissionRecuperativeAdvancedTurbineEnergy)citadoemYantovski(1994).OtermoMATIANTéumacrônimodecorrentedosnomesdeMathieue Iantovski,51segundoMathieueNihart (1999);ocicloMATIANTédefinidoportaisautorescomosendocompostodeumcicloRankineedeumcicloBraytonregenerativo,ambosbaseadosemCO2.Suaexpectativadeeficiênciaéde45%queimandogás natural; CO2 líquido e de alta pressão é produzido, viabilizando seu transporte, reúso ouestocagem.

Figura6.11–CicloMATIANT,segundoMathieueNihart(1999)52

DeacordocomZhangeLior(2006),osistemaqueseobservanaFigura6.12éoperadoporumsistema“quase combinado” emdois estágios e quequeimaumamisturadeoxigênio e dióxidodecarbonorecirculado,talcomoosciclospropostosporYantovski(1996)eMathieueNihart(1999).Aconfiguraçãoapresentadacorrespondeàprimeira composiçãopropostapelos autores, e asdemaisvariantes se baseiam no emprego de trocadores de calor para reaquecimento e resfriamentointermediário.Observaram-semelhoriasemrelaçãoaocasobasede2%a3%sobreaeficiênciaedemais de 10% sobre a potência gerada para o caso com reaquecimento; no entanto, verificou-seaumento na temperatura de entrada do trocador de calor e um aumento de 54% na área de trocatérmica.Paraocasocomresfriamentointermediárioobservaram-sepequenasreduçõesnaeficiênciaenapotênciagerada.

Figura6.12–CiclobaseadoemCO2,segundoZhangeLior(2006)

ComoobservadoporDamenetal.(2006),asturbinasagásexistentesapresentamcaracterísticasdistintasdaquelasqueseriamnecessáriasparaseuempregotendooCO2comofluidodetrabalho:arazãodepressãoótimaparaasturbinasoperandocomCO2devesermaiorqueparaumconjuntoagásconvencional,eoempregodessascomonovofluidodetrabalhoimplicariaoperarcommenoreficiência.Depreende-sequeénecessárioodesenvolvimentodenovosequipamentos,comespecialatençãoàcâmaradecombustãoecompressor.

Damenetal.(2006)tambémcitamcomosendopertencentesaessarotatecnológica:

– centrais geradoras de potência de emissão zero – AZEP (Advanced Zero Emission PowerPlants):consisteemumciclocombinadonoqualacâmaradecombustãoésubstituídaporumreatordemembranamistacondutiva(MCM,MixedConductingMembrane),oqualincluiumacâmaradecombustão,umtrocadordecalordecalorde“baixa”temperatura,umamembranaMCM e um trocador de calor de alta temperatura (Eide et al., 2005). Como descrito pelosautores,oarcomprimidonoconjuntoagása1,8MPaéaquecidoaumatemperaturaentre800°Ce900°Cnotrocadordecalorde“baixa”temperaturaantesdeentrarnamembranaMCM.AFigura6.13ilustratalconfiguração.OreatorMCMcombinaproduçãodeoxigênio,queimadecombustíveletrocadecalor;oarcomprimidoentranoreatorMCM,ondeoxigêniopassaatravésdamembranaeétransportadoparaacâmaradecombustão.Ocalordacombustãoétransferidoparaooxigênioretiradodoar,queéexpandidoemumaturbinaconvencional.Vaporégeradonacaldeiraderecuperaçãoapartirdocalordisponívelnaexaustãodoconjuntoagás,eofluxodeCO2/H2Oégeradonacâmara de combustão, sendo expandido numa turbina a vapor.O emprego deCO2/H2O em

turbinasavaporserevelaumavantagemdatecnologiaAZEP,aindaquedesafiostecnológicossejam presentes no desenvolvimento do reator MCM (Damen et al., 2006). O CO2 érecuperado,comprimido,liquefeitoebombeadoparaseuusofinalcomcapturade100%detodooCO2(Eideetal.,2005).

Figura6.13–CicloAZEP,segundoEideetal.(2005)

– ciclo Graz: o ciclo Graz consiste basicamente de um ciclo Brayton de alta temperatura(compressoresC2,C3,câmaradecombustãoe turbinadealta temperatura,HTT)eumcicloRankine de baixa temperatura (turbina de baixa (LPT) e alta (HPT) pressão, condensador ecaldeiraderecuperação),conformeFigura6.14.

Figura6.14–CicloGraz,segundoJerichaetal.(2003)

OcombustívelpropostoemJerichaetal.(2003)écarvãogaseificadocominjeçãodeoxigênio,com frações molares de 10% de CO2, 40% de CO e 50% de H2. O combustível e oxigênio emproporçãoestequiométricasãoenviadosàcâmaradecombustãooperadaa4,0MPa;vaporeCO2sãoadicionadospararesfriarosqueimadores.Amisturade¾deCO2e¼devapordeixaacâmaradecombustãocomtemperaturade1.400°C,sendoentãoexpandidonaturbinadealtatemperatura(HTT)até0,1MPae642°C.Osgasesquentesquesaemdaturbinaseguemparaacaldeiraderecuperação,

gerandovapor superaquecidoqueéenviadoà turbinadealtapressão (HPT),edali seguepara serexpandidonaturbinadebaixapressão(LPT),condensandoa0,025MPa.NocondensadoramisturadeCO2eH2Osesepara.Aáguaévaporizadaesuperaquecidaaté18,0MPae567°C,enquantooCO2

é comprimido até a pressão atmosférica, sendo separada a parcela que segue para combustão,mediantecompressãoadicional,daquelaquesegueparaestocagem.

Família3(pós-combustão)

OsprocessosassociadosàFamília3incluemtodasasformasdegeraçãodeenergiabaseadasnaqueima de combustíveis fósseis nas quais o CO2 é removido dos gases de exaustão, após acombustão,nopontoderejeiçãodosmesmosdaunidadedegeração.

OtrabalhodeDesiderieCorbelli(1998)serefereaumcicloagáscominjeçãodevapor(cicloChengouSTIG,SteamInjectionGasTurbine)integradoaprocessodeseparaçãodeCO2apartirdeabsorçãoquímica.Ociclotemgrandeaderênciaàcogeração,umaformadegeraçãodescentralizada;isso se explica pelo fato de os novos ciclos térmicos demandarem vários anos para alcançar acondiçãocomercialrelativamenteàotimizaçãodecomponentesedesuaconfiabilidadeoperacional,oqueconduzàsuaaplicaçãoinicialmenteemgrandesunidades.

BollandeMathieu(1998)apresentamacomparaçãoentredoiscicloscombinados,umcompostodeacordocomaestruturadarotatecnológicareferenteàFamília2eoutrodeacordocomrequisitosdaFamília3; asFiguras6.15(a)e6.15(b) ilustramasconfiguraçõesanalisadas.Deacordocomasavaliaçõesrealizadas,ocicloreferenteàFamília3éoquepermitealcançaremissãozero,aindaquemediante redução na eficiência térmica e potência líquida gerada no ciclo; a configuração admiterecirculação parcial dos gases de exaustão para reduzir a vazão volumétrica e aumentar aconcentraçãodeCO2antesdacolunadeabsorçãocommonoetanolamina.OcicloreferenteàFamília2 corresponde a um ciclo CO2/H2O. Pela comparação entre as duas configurações, baseada emparâmetrosdeeficiênciaepotêncialíquidagerada,ocicloreferenteàFamília2serevelasuperioremtermosdedesempenhoeviabilidadetécnica.

Figura6.15–Ciclocombinado(a)daFamília3e(b)daFamília2(Bolland;Mathieu,1998)

GabriellieSingh(2003)apresentamumabreverevisãodaliteraturanaqualcontextualizamsuastrêsconfigurações,queseenquadramnoconjuntodastecnologiasdecombustãocomoxigêniopuro,tendo a mistura água/vapor como fluido de trabalho. A Figura 6.16 apresenta a primeira dasconfiguraçõespropostas,umavezqueasdemaissediferenciamporalteraçõesemalgunsníveisdepressão,presençaouausênciadetrocadoresdecaloreresfriamentointermediário,dentreoutros.

Arepresentaçãoadotadanaconfiguraçãoapresentadasimplificaasbateriasdeaquecedoresedecompressoresdevapor.Dopontodevistaoperacional,ociclotérmicopropostocitaoempregodeoxigênio puro sem, contudo, representar o emprego de um ASU; o gás natural passa por umreformador de vapor, produzindo gás de síntese (basicamente CO, H2, CO2, CH4 e vapor) que équeimado na câmara de combustão do conjunto a gás na presença de vapor de água.Os gases deexaustãocontémvapor(cercade90%emvolume)eCO2,queexpandematé0,1MPaemumaturbinade vapor/CO2 e cedem calor primeiramente ao reformador de vapor e depois à caldeira derecuperação, chegando a 105 °C. Uma parcela dos gases é misturada ao vapor da caldeira derecuperaçãoeamisturapassaporumabateriadecompressoresantesdeserenviadaaoreformadoreàcâmaradecombustão;apartenãorecirculadaécondensadaa0,0055MPaeenviadaaumseparadordeCO2eágua.

Figura6.16–CiclotérmicopropostoporGabriellieSingh(2003)

OtrabalhodeGambinieVellini(2003)registraciclostérmicosconvencionaiseumciclomistoavançado (AMC, AdvancedMixed Cicle) com recuperação pós-combustão de CO2; o ciclo AMCapresentadonaFigura6.17consisteemumciclocombinadogás/vapornoqualovaporconstituiumciclofechado.Observa-seumaquecimentoinicialdovapor,seguidodeumprocessoregenerativonoqual o mesmo é parcialmente enviado a um separador, e parcialmente misturado com gases deexaustão decorrentes da combustão de gás natural e ar. Nesse ciclo, a separação de água e arecuperação são necessárias para operar o ciclo a vapor nomodo fechado; a remoção de CO2 éobtidaporprocessodeabsorçãoquímica.

Figura6.17–CicloAMCpropostoporGambinieVellini(2003)

IGCC–ciclocombinadocomgaseificaçãointegrada53

Os ciclos IGCC são analisados por Damen et al. (2006) como compostos pelas três famíliastecnológicas,considerando-secomopré-combustão(Família1)oempregodereatordeshiftapósaseçãodelimpezadogásdesíntese,comodesnitrogenação(Família2)oempregodeASUprovendoO2 para a combustão de gás de síntese ou novos conjuntos a gás, projetados para operarem comCO2/H20 como fluido de trabalho, e como pós-combustão (Família 3) o emprego de absorçãoquímicaapósoconjuntoagás,semreatordeshiftoumodificaçõesnoconjuntoagás;entretanto,aliteraturaregistradiferentescomposiçõesdetaisfamílias,comoaseguirdescrito.

Dopontodevistadoestágiodedesenvolvimento,oIGCCéumatecnologiaradical,aindaemfasededemonstração–emboracontecommaisdetrintaanosdedesenvolvimentosetestes,umavezquea unidade de Lünen, Alemanha, data de 1972 (GTW, 2007a). As razões para a demora em seuaproveitamento pelas grandes centrais geradoras de potência a carvão se referem à baixaconfiabilidadeoperacionalatéentãodemonstrada(emboranosúltimosanosjásetenhamalcançadodisponibilidades54superioresa90%)eaoseucusto(entre10%e20%superioresaosalcançadosporcentraisgeradorasdepotênciaacarvãopulverizado).

AFigura6.18ilustraapropostadeIGCCclássicopropostoemKannicheeBouallou(2007).Paratal configuração, o reator de shift é alocado após os equipamentos de limpeza do gás de síntese,podendo ser então considerada na rota tecnológica da Família 1. A configuração da Figura 6.19,também dos mesmos autores, apresenta uma alternativa “avançada”, na qual o reator de shift éantecipadoaotratamentodosgaseseéincluídaumaturbinadeexpansãoeoaréfornecidoaoASU

em idênticas proporções (50% x 50%) pelo compressor do conjunto a gás e por um compressorauxiliar.HáqueobservaremambasassituaçõesaexistênciadeumaASUprovendooxigênioparaagaseificaçãoenitrogênioparaacâmaradecombustãodoconjuntoagás.

Figura6.18–IGCC“clássico”comcapturadeCO2,segundoKannicheeBouallou(2007)

Figura6.19–IGCC“avançado”comcapturadeCO2,segundoKannicheeBouallou(2007)

55

A configuração proposta por Smith e Klosek (2001) utiliza um reator baseado na síntese deFischer-Tropsch (Figura 6.20); o gaseificador recebe oxigênio oriundo doASU e CO2 obtido doprocessoderecuperaçãotérmicaelimpezadogásdesíntese;nitrogênioobtidodoASUegásnaturalsãodirecionadosàcâmaradecombustãodoconjuntoagás,assimcomoprodutosdoprocessamentodalimpezadogásdesínteseegasesresiduaisdoprocessoFischer-Tropsch56ehidrotratamento.57

Figura6.20–IGCCcomprocessoFischer-Tropsch,segundoSmitheKlosek(2001)Notas:AP–altapressão;MP–médiapressão

Apropósitodoempregodenitrogênioemcâmarasdecombustãodeconjuntosagás,Wimeretal.(2006) analisaram a integração de turbinas a gás adaptadas à combustão de gás de síntese comunidadesASUcriogênicasepormembranaemconfiguraçõesqueempregavamapenasnitrogênio,numasituação,earatmosféricoassociadoaonitrogênio,emoutra.

NocasodainjeçãoexclusivadonitrogênioobtidonoASU,reportaramcomobenefíciosobtidosoaumentodavidaútildoscomponentesdoconjuntoagáseareduçãonaformaçãodeNOxtérmicopela eliminação de pontos quentes na câmara de combustão. Comentam ainda que a diluição comnitrogênio58pode ser benéfica para o conjunto a gás emcondições de alta temperatura ambiente,situaçãoemqueamáquinatérmicairiaoperaremcondiçãonãoótima;comadiluiçãodonitrogênio,atemperaturaótimadequeimanoconjuntoagáspoderiasermantidaemaisgásdesíntesepoderiaserqueimadodemodoaaumentarapotênciagerada.SeporumladoamisturadearenitrogêniorepresentaumaoperaçãomaiscomplexadoIGCC,trazvantagensemtermosdeeficiênciaecusto.

AFigura6.21ilustraaproposta“tradicional”doIGCC,deacordocomAmelioetal.(2007);deacordocomtaisautores,aconfiguraçãoapresentaASUparaadesnitrogenaçãodoardeentrada;umapastadecarvãoeágua(slurry)éinjetadanogaseificador,juntamentecomooxigênioobtidonoASU.Ogásque saidogaseificador entra emum reatorde shift, produzindoumgásde síntese rico emhidrogênioedióxidodecarbono.Umavezlimpodegasesácidoseresfriado,ogáséenviadoaumprocessodeabsorçãodeCO2,deondeécomprimido,liquefeitoearmazenado,ouenviadoaalgumautilizaçãoemprocesso.Ogásdesíntese,agoraricoemH2,éenviadoaociclotérmicodegeraçãodeenergiastérmicaeelétrica.

Figura6.21–IGCCcomreatordeshift(IGCC*),segundoAmelioetal.(2007)De acordo comAmelio et al. (2007), a configuração pode sermodificada pela substituição do

reatordeshiftporreatordemembrana59(Figura6.22).Segundoasanálisesrealizadaspelosautores,dopontodevistaenergéticooIGCCcomreatordeshiftesistemadeabsorçãodeCO2(denominadoIGCC*) apresenta desempenho ligeiramente melhor que o IGCC com reator de membrana(denominadoIGCCM);verificou-sepenalidadenaeficiênciaenapotêncialíquidade3,46%e3,48%,respectivamente, devido ao aumento no consumo de potência elétrica para compressão do CO2 econsumo de vapor para o reator de membrana. Do ponto de vista econômico, o IGCCM é maiscompetitivoqueoIGCC*pornãocontarcomsistemadeabsorçãodeCO2emenorcustodoreatordemembrana.ATabela6.5ilustravalorescomparativosentreoIGCCtradicional,IGCC*eoIGCCM.

Figura6.22–IGCCcomreatordemembrana(IGCCM),segundoAmelioetal.(2007)

Aspropostas deChiesa eLozza (1999a/b) apresentamconfigurações de IGCCcomcombustãomediantefornecimentodeoxigênio(Figura6.23)ecomabsorçãofísica(Figura6.24),diferindodoatéentãoexpostoporeliminaremoreatordeshifteincluíremumcompressordearantesdaentradanoASU;alémdisso,nasegundasituaçãoháoempregodeumsaturadordogásdesínteseantesdesuaentradanociclodegeraçãodeenergiatérmicaeelétrica.

Tabela6.5–CustosdeinvestimentodesistemasIGCC,segundoAmelioetal.(2007)

Componentes IGCC IGCC* IGCCM

Conjuntoagás(106US$) 53,30 53,30 59,10

Cicloavapor(106US$) 75,10 72,90 63,90

Equipamentoselétricosepotência(106US$) 44,80 43,90 43,80

Unidadedeseparaçãodear(106US$) 39,60 41,20 41,20

Tratamentodecarvão(106US$) 19,30 20,10 20,10

Gaseificaçãoeresfriamentodosyngas(106US$) 162,70 169,00 169,00

Unidadedelimpezadosyngas(106US$) 17,60 18,30 18,30

Reatordeshiftetrocadoresdecalor(106US$) – 19,10 –

UnidadederemoçãodoCO2(Selexol)(106US$) – 19,80 –

Reatordemembrana(106US$) – – 1,56

CompressãodeCO2(106US$) – 8,50 15,62

Totaldoscomponentesdaunidade(106US$) 412,50 466,00 432,60

Componentesauxiliares(106US$) 12%doscustosdoscomponentesdaunidade

Custodeengenharia(106US$) 18%doscustosdoscomponentesdaunidade

Eventualidades(106US$) 20%doscustosdoscomponentesdaunidade

Custostotaisdeinvestimento(106US$) 618,70 699,00 648,90

Custoespecíficodeinvestimento(US$/kW) 1531,00 1910,00 1836,86

Nota: IGCC–configuração tradicionalsemunidadederemoçãodeCO2; IGCC*–IGCCtradicionalcomreatordeshift e unidadederemoçãodeCO2;IGCC

M–IGCCcomreatordemembrana;paraoIGCCMapresentaram-seapenasosmaioresvalores,correspondentesareatordemembranacomespessurademembranade50μm.

Figura6.23–IGCCcomcombustãoalimentadaporO2,segundoChiesaeLozza(1999a)

Figura6.24–IGCCcomabsorçãofísica,segundoChiesaeLozza(1999b)

Nas configurações das Figuras 6.25 e 6.26, a caldeira de recuperação é apresentada de formasimplificada em termos do fluxo de vapor e tem sua chaminé substituída por uma derivaçãodirecionadaaosprocessosdeabsorçãoeliquefaçãodoCO2,emoposiçãoaoquefoiapresentadonasconfiguraçõesanteriores.Taispropostas,devidasaDuanetal.(2004),contamcomciclotérmicodegeraçãooperandocomCO2(apartirdacombustãodasfraçõesdogásdesíntesericasemcarbono)eciclosduaisH2/O2 (apartirdas fraçõesdogásdesíntese ricasemhidrogênio).AdistinçãoocorrepeloempregodecompressoresparapressurizaçãodoarnaentradadoASU,sendocercade90%doCO2removidoeorestanterecirculado.

Figura6.25–IGCCciclodual(combinadoeH2/O2)erecuperaçãodeCO2(Duanetal.(2004)

Figura6.26–IGCCciclodualcomconjuntosagáserecuperaçãodeCO2(Duanetal.,2004)

DeacordocomGaddeet al. (2007),osciclos térmicos IGCCacarvãoapresentamaumentonocustode investimentodeacordocomooaumentodaporcentagemdoCO2 capturado; dopontodevista técnico, a potência líquida do ciclo IGCC cai e o heat rate (isto é, o inverso da eficiênciatérmica)aumentacomoaumentodaporcentagemdoCO2capturado.

Curvasde tendência referentesa taiscomportamentossãoapresentadasnasFiguras6.27a6.29;pelosresultadosapresentados,foramtraçadascurvasderegressãoecorrespondentescoeficientesdecorrelação,osquaisapresentaramsignificativaaderênciaaospontosdisponibilizados.UmavezqueérecorrenteovalorpercentualdecapturadeCO2serassociadoa90%,éinteressanteobservarem-se,para tal condição, os comportamentos das três variáveis consideradas: o custo específico deinvestimentoéquase30%superioraodacondiçãosemcapturadeCO2,comperdade6%dapotêncialíquidaeaumentode20%noheatratelíquido.

Figura6.27–CustodeinvestimentodecicloIGCCpelaporcentagemdoCO2capturadoFonte:ElaboradopeloautorapartirdeGaddeetal.(2007).

Figura6.28–PotêncialíquidaemcicloIGCCpelaporcentagemdoCO2capturadoFonte:ElaboradopeloautorapartirdeGaddeetal.(2007).

Figura6.29–HeatrateemcicloIGCCpelaporcentagemdoCO2capturadoFonte:ElaboradopeloautorapartirdeGaddeetal.(2007).

Apartirdetaisvalores,torna-serazoávelconcordarcomJaeger(2007c)quandoafirmasernãoapenascomercialmenteimpraticáveloconceitodeemissão“próximadezero”,masdesnecessárioseoobjetivoéalcançaroqueéconsideradoumníveldeemissãodeCO2aceitável.AsemissõesdeCO2

porIGCCbaseadasemcarvãocorrespondema1.800lb/MWh(816kg/MWh);sealcançassemovalorde 1.100 lb/MWh (499 kg/MWh), relativo a centrais geradoras de potência a gás queimando gásnatural,equivaleriamaumataxadecapturadeCO2de40%,assimcomoovalorde750lb/MWh(340kg/MWh), correspondente a um ciclo combinado queimando gás natural, equivaleria a 60% decapturadeCO2.

Fixar entre 40% e 60% a meta de captura de CO2 para os ciclos térmicos IGCC seria, pois,compatívelcoma tecnologiacomercialmentedisponívelequepoderiaseralcançadoaumafraçãodocustoedaperdadepotênciaassociadaaonívelde90%decaptura,valorqueéalmejado.ATabela6.6apresentavaloresreferentesadiversastecnologias,deformacomparativaaociclotérmicoIGCC,comesemcapturadeCO2,ilustrandoosimpactossobrecustodeinvestimento,eficiênciatérmicadainstalação,custodaeletricidadeproduzidaeconsumototaldeágua.Deve-seobservarqueosvaloresde custo de investimento com captura de CO2 incluem o custo de compressor extra de CO2 paraelevar a pressão até 15MPa, custos estimados para transporte do CO2 em tubulação por 80 km,injeçãodoCO2 amais de1.200mdeprofundidadepara seu sequestro emonitoramentode longoprazo(oitentaanos)acercadaintegridadedoarmazenamento.

Tabela6.6–ValorescomparativosentretecnologiascomesemcapturadeCO2

IGCC PCPP

subcríticaPCPP

supercrítica NGCC

semcaptura

comcaptura

semcaptura

comcaptura

semcaptura

comcaptura

semcaptura

comcaptura

Custodeinvestimento(US$/kW2007) 1.841 2.496 1.549 2.895 1.575 2.870 554 1.172

Eficiência(%,baseadanoPCS) 39,5 32,1 36,8 24,9 39,1 27,2 50,9 43,7

Custodaeletricidade(US$/MWh2007) 77,9 106,3 64,0 118,8 63,3 114,8 65,4 97,4

Consumototaldeágua(m3/s) 0,2429 0,2792 0,3919 0,8894 0,3433 0,7671 0,1584 0,2953

Notas:PCPP–PulverizedCoalPowerPlant;NGCC–NaturalGasCombinedCycle.Fonte:ModificadodeJaeger(2007b).

DeacordocomJaeger(2007a),algumasopçõesqueaumentamocustoinicialdainstalação,masque poderiam reduzir o custo final e o impacto de se necessitar realizar um posterior retrofit nainstalaçãoparacapturadeCO2,seriam:

– superdimensionar o ASU e o gaseificador para assegurar produção de hidrogênio emquantidadesuficienteparamanterosconjuntosagásemplenacarga;

–maioresníveisdepressãonogaseificadorreduzemasnecessidadesdeenergiaparacompressãodoCO2 e aomesmo tempo aumentam a disponibilidade de gases de síntese com omesmoequipamento;

–utilizarumtrocadordecalorgás/águaparamelhoradequaraquímicarequeridanoreatordeshifteevitarocustodetrocadordecalorconvectivosouradiantes,quepodemsereliminadosapósumretrofit;

– provisão de um queimador suplementar para a caldeira de recuperação para aumentar aproduçãodevapor,demodoaevitarperdadepotêncianaturbinaavapordociclocombinado.

Família4(processoHydrocarb)

A Família 4 é reservada a um processo específico desenvolvido pelo Brookhaven NationalLaboratory,noqualocarbonoéseparadodocombustívelantesdacombustãoequesebaseiaemtrêsreações–ahidrogaseificaçãodocarvão,adecomposiçãodometanoeasíntesedometanol.

DeacordocomLaneeSpath(2001),oprocessoHydrocarbfoiconcebidoparaproduzircarbono(carbon black) a partir dematérias-primas carbonáceas. Esse processo, realizado em dois passos,consistenahidropirólisedamatéria-primacarbonáceacomexcessodehidrogênio,queproduzumgás de síntese rico em metano, o qual é então decomposto por meio térmico em um reator,produzindo hidrogênio e carbono. Na decomposição por reação termocatalítica, a cinética éfavorecidapelaspressõesmaiselevadas,masoequilíbrioéfavorecidopelasmaisbaixaspressões.

Steinberg (1997) descreve o processo Hydrocarb em suas três etapas de reações químicasintegradas,quesãoaseguirenumeradas:

1) hidrogaseificação do carvão: a reação exotérmica do carvão (CH0,8O0,1-0,2) e dada pelaexpressão a CH0,8O0,1-0,2 + bH2→ c CH4 + d CO + e H2O ocorre de modo eficiente comtemperaturas entre 800 °C e 900 °C e pressões entre 3 MPa e 5 MPa. Um reator de leitofluidizado é indicado para a hidrogaseificação de material sólido de origem carbônica,incluindocarvãoebiomassa.Calcáriopodeseradicionadopararemoverenxofre.

2)decomposiçãodometano:areaçãoCH4→C+2H2éendotérmicaeocorredemodoeficienteabaixode800°C,sendofavorecidopormenorespressões.Ometanoutilizadonessaetapaéque é produzido na etapa de hidrogaseificação emetano adicionado de outras fontes. Essareaçãoproduzohidrogênionecessárioàsíntesedemetanoldaetapaposterior,eseuexcessoérecicladoparaoreatordehidrogaseificaçãodaetapainicial.

3)síntesedemetanol:asíntesedemetanol(CH3OH)apartirdeCOeH2éumprocessocatalítico

bemestabelecidoequeégeralmentepraticadoindustrialmentea260°Ce5MPa,deacordocom a reaçãoCO + 2H2→ CH3OH.OCO é produzido na etapa de hidrogaseificação dooxigêniopresentenocarvão.AquantidadeformadadeCOdependedoconteúdodeáguadocarvão,deacordocomareaçãodegaseificaçãoC+H2O→CO+H2.

O processo Hydrocarb também opera adequadamente tendo biomassa como matéria-primacoparticipantedoprocessodevidoaoseuelevadoconteúdodeoxigênio.AoperaçãogeraldereaçãoédadaporCH1,4O0,7+0,34CH4→0,66C+CH3OH.

Embora de concepção interessante para os fins a que se destina – em especial por suacaracterística ambiental intrínseca – o processo Hydrocarb aparentemente não se revelou viável,tornando-se difícil a aquisição de informações atualizadas sobre seu desenvolvimento.60 Em umartigo mais recente de Steinberg et al. (2003), cita-se o emprego do processo Hydrocarb emassociação com células combustíveis de carbonato fundido, integrados a ciclo térmico a vapor,conformeaFigura6.30.

Figura6.30–ProcessoHydrocarbintegradoacélulacombustívelecicloavaporFonte:Steinbergetal.(2003).

Família5(célulascombustíveiseloopquímico)

AFamília5apresentaprocessosdeseparaçãodeCO2comcélulascombustíveisetecnologiadeloop químico (chemical looping). As células combustíveis constituem atualmente um interessantenicho de desenvolvimento tecnológico por suas características de eficiência e emissões altamentefavoráveis,aopassoqueosprocessosdeloopquímicoencontramsuamelhorexpressãonocontextodageraçãodeenergiaapartirdeprocessosdetransformaçãoindustrial(emespecial,nasindústriasquímicaepetroquímica).

Célulascombustíveis

DeacordocomSjunnesson(1998),atecnologiaqueenvolveascélulascombustíveisremontaaoano1839,quandoWilliamGrovedemonstrouseuprincípiodefuncionamento,queéemsibastantesimples: a combinação de hidrogênio e oxigênio para se obter energia dessa reação, tendo águacomoproduto.

Como tecnologia, as células combustíveis devem ser entendidas como componentes de umsistema,unidadesqueoperamporsipróprias;atecnologiadecélulascombustíveisbaseadaemácidofosfórico(PAFC,PhosphoricAcidFuelCell)éaquelaqueseencontramaispróximadacondiçãodecomercialização,devendocompetircomoutrastecnologiasdegeração.DeacordocomLunghietal.(2001),ascélulascombustíveisbaseadasemeletrólitospoliméricos(PEM,PolymerElectrolyte),emóxido sólido (SOFC, SolidOxide FuelCells) e em carbonato fundido (ou em sal fundido,MCFC,Molten Carbonate Fuel Cells) estão sendo testadas em escala comercial em unidades pilotos naEuropaeEstadosUnidos.

ApropostaapresentadaemLunghietal.(2001),deumaunidadeemciclocombinadoMCFC-GT,no qual a célula combustível é tomada por unidade superior e o conjunto a gás como unidadeinferior,éapresentadanaFigura6.31.Ogásnaturalnãopodeserconsumidodiretamentepelacélulacombustível,umavezqueapenashidrogênioécapazdereagircomoíonCO3

–;ometanoqueentranoanodoéinternamentereformadocomvapor,produzindohidrogênioemonóxidodecarbonopelareaçãoCH4+H2O→CO+3H2.

Figura6.31–CiclocombinadoMCFC-GTcomcélulacombustívelcomounidadesuperiorFonte:Lunghietal.(2001).

A oxidação endotérmica oxidativa produz calor na temperatura necessária para a reforma do

combustível,enquantoumcatalisadorprovêatividadesuficienteparasustentarareaçãodereformado vapor a 923K, com vapor emetano entrando na célula a 673K. A reação eletroquímica queocorrenocatodoseria½O2+CO2+2e–→CO3

–,aopassoqueos íonsdecarbonatoquemigramatravésdamatrizeletrolíticareagemnoanodoatravésdareaçãoexpressaporH2+CO3

–→H2O+CO2+2e–.OmonóxidodecarbonocontidonogásreformadoproduzhidrogênioadicionalatravésdareaçãoH2O+CO→H2+CO2eéparcialmenteoxidadopelareaçãoCO+CO3

–→2CO2+2e–.A reformado combustível pode ser externaou interna; naprimeira, o calor necessárioparao

processodereformaésupridopelaqueimadepartedocombustíveletransferênciadocalorsensívelliberadoparaocatalisadorporum trocadordecalordealta temperatura.Esse tipode trocadordecalor consome aproximadamente 25% do combustível primário, limitando a utilização docombustível do MCFC a 75%. Com o reformador interno, o calor de reação necessário para oprocessodareformaésupridoporreaçãoeletroquímica(Jansen;Mazaffarian,1997).

Uma observação importante nessa proposta diz respeito ao sistema de retroalimentação(feedback);qualquermudançanatemperaturadosfluxosdeentradadaMCFCdeveserevitadaparaque se mantenham as condições necessárias ao processo, e isso é conseguido por esse sistema.Reduções de temperatura na saída do combustor podem resultar em taismudanças, causando umareduçãona temperaturamáximadoconjuntoagáseumdecréscimonaeficiênciadosistema,peloque gás natural pode ser utilizado em queima suplementar. Por fim, Jansen eMazaffarian (1997)analisaramaviabilidadedoempregodear,argôniooudióxidodecarbonocomofluidodetrabalho,concluindo que os dois primeiros trabalham ligeiramente melhor que o último, que por sua vezapresentamenorvazãovolumétricae,emconsequência,demandaequipamentosmenores.Ressaltam,por fim, o fato de o ar ser umbemdisponível e os possíveis impactos adversos do empregodosdemaisgasesemequipamentosadaptadosparaseuemprego.

Tanaka et al. (2000) relatam sua proposta de ciclo combinado entre conjunto a gás e célulascombustíveisdeóxidosólido(SOFC);segundoosautores,aescolhadaSOFCsedeveàsuamaioreficiência na geração elétrica, ainda que hoje limitada entre 40% e 50% e, portanto, demandandomaiorespesquisasedesenvolvimentosvisandoseuaumento.OsistemaGT-SOFC(notextoreferidocomoFCCC,FuelCellCombinedCycle) conta comuma célula combustível SOFC atuando comounidade superiordo ciclo combinado, enquantoumconjunto agás atua comounidade inferior dociclo(Figura6.32).

Figura6.32–CicloGT-SOFCFonte:Tanakaetal.(2000).

Uma importante relação a ser consideradanas células combustíveis é a razãovapor/carbono–teoricamente,menoresvaloresdessarazãocorrespondemamaioreseficiências,porémumataxadenomínimo3:1temsidosugeridacomonecessáriaparaevitaradeposiçãodocarbononasuperfíciedoanodo.

O emprego deMCFC associado à gaseificação (IG-MCFC) de biomassa e carvão é tema dosartigos de Lobachyov e Richter (1998) e Jansen e Mozaffarian (1997), respectivamente, com aressalva de que os primeiros avaliam sistema de grande porte (ordem de 170 MW de geraçãoelétrica)eossegundosavaliamsistemaaplicadoaosetor terciário(ordemde500kW).Adespeitodas necessárias adequações ao porte e ao combustível empregado, as configurações são bastantepróximasemtermosdearranjodosequipamentos;dessaforma,apresenta-senaFigura6.33exemplodeumadasconfiguraçõesapresentadasporJanseneMozaffarian(1997),61relativaaumcicloIG-MCFC associado a sistema de limpeza de gases em alta temperatura. Aravind e Jong (2012)apresentam um interessante e atualizado levantamento de opções para limpeza de gases de altatemperaturaparaosprodutosdagaseificaçãodebiomassaempregadaemcélulascombustíveis.

Figura6.33–CicloIG-MCFCcomsistemadelimpezadegasesdealtatemperaturaFonte:JanseneMozaffarian(1997)

Loopquímico

Damenetal.(2006)classificamosciclosdeloopquímiconarotatecnológicareferenteàFamília2, isto é, de “desnitrogenação”, ao invésde classificá-los, conformeGöttlicher ePruschek (1997),como pertencentes a uma categoria à parte (Família 5). Certos processos inerentes ao refino depetróleo,quenaatualidadeseencontramoperandoisoladamente,taiscomoocraqueamentocatalíticoe as unidades de destilação, poderiam alcançar benefícios energéticos se integrados a sistemas derecuperaçãotérmicaegeraçãodeenergia.

Atecnologiadeloopquímico(CLC,ChemicalLoopingCombustion)ébaseadanaqueimadeumcombustívelpormeiodedoisreatoresseparados,nosquaisonitrogênioéseparadodosprodutosdecombustão;noreatordereduçãoocombustíveléoxidadoporumportadordeoxigênio,emgeralumóxidometálicocomooóxidodezinco.Oóxidometálicoreduzidoéretornadoparaoreatordeoxidação (na forma de particulado, pormeio de leito fluidizado), onde reage com oxigênio parafechar o ciclo.A oxidação dometal é altamente exotérmica e provê ar de elevada temperatura naexaustão,quepodeserempregadoemciclosdegeraçãodeenergia(Damenetal.,2006).

Oempregodecombustãoem loopquímico comqueimadehidrogênio integrado à unidadedeFCCéapresentadoporJineIshida(2000).Acombustãoemloopquímicocomqueimadehidrogênioconsistededuasreaçõessucessivas:reduçãodohidrogêniocomóxidometálicoeoxidaçãodometalresultante com ar. No exemplo apresentado (Figura 6.34), partículas de NiO são utilizadas comometal sólidonacombustãoem loop químico.Ohidrogênioéprimeiramentepostoa reagir comometal sólidoNiO no reator de redução, produzindoNi sólido e vapor. No reator contíguo, ondeocorreprocessodeoxidação,oarsaturadoemelevadapressãoéreagidocomoNisólidoproduzido

noprimeiroreator,produzindoNiOegasesdeexaustãodealtatemperatura,umavezqueaoxidaçãoquealiocorreéfortementeexotérmica.Aspartículassólidassãociclicamenteutilizadasentreosdoisreatores e os gases que deixam ambos os reatores são empregados como fluido de trabalho parageraçãodeenergia.

A integração de ciclos combinados gás/vapor com processos de craqueamento fluidizadocatalítico (FCC) em refinarias de petróleo é proposta por Chodkiewicz et al. (2002) quedemonstraram aumento da eficiência térmica, minimização das emissões de CO2 e potencial deincrementonageraçãodeenergiaelétrica(Figura6.35).DeacordocomChen(2006),oempregodoterceiroestágiodeciclonessedeveànecessidadederecolherpartículasdocatalisadordepequenodiâmetro(até2μm)porcontaderegulamentaçõesambientais.

Figura6.34–IntegraçãoentreFCCeciclocombinadogás/vaporsegundoJineIshida(2000)

Figura6.35–integraçãoentreFCCeciclocombinadogás/vaporsegundoChodkiewiczetal.(2002)Notas:PE–precipitadoreletrstático;3°EC–terceiroestágiodeclientaes

Um conceito de loop químico projetado para ser uma interface entre ciclos combinadosacionados por gás natural é commínimasmodificações é apresentado porYu et al. (2003), sendoconhecidocomoSETS (SorbentEnergyTransferSystem), apresentadonaFigura6.36.As reaçõesqueocorremsão:

–noreatorderedução:CH4(g)+4MeO(s)→4Me(s)+CO2(g)+2H2O(g);–noreatordeoxidação:4Me(s)+2O2(g)→4MeO(s);

OresultadolíquidodeambasasreaçõesnaunidadeSETSédadopor:CH4(g)+2O2(g)→CO2(g)+2H2O(g).

OsmesmosautorespropõemoempregodeFe2O3 eCUO, respectivamente,paraas reaçõesdereduçãoeoxidação.SimulaçõesempregandoosoftwareAspenPlus®,comparandocicloagás,ciclocombinado simples e integrado à unidade SETS, todos queimando gás natural, revelaramsignificativareduçãodaemissãodeCO2commínimapenalidadeenergéticaparaociclocombinadointegrado à unidade SETS: queda de 50%nas emissões deCO2 com redução de 5% na eficiênciatérmica,comparativamenteaociclocombinadosimples.

SegundoEide et al. (2005), os reatores podem ser projetados segundo diversas possibilidades,masoempregodedoisleitosfluidizadosinterconectadosserevelavantajososobreosdemais,umavez que as reações que ali se processam requerem bom contato entre sólido e gás, assim comosignificativofluxodematerialsólidoentreosdoisreatores.Umdetalhecríticodossistemasdeloopquímico,segundoDamenetal.(2006),éatemperaturamáximadoreatoratéaqualaestabilidadedoóxidometáliconão é prejudicada; esta temperatura irá definir a temperatura de entradana turbina(TIT,TurbineInletTemperature),eporsuavez,aeficiênciatérmicadociclodegeraçãodeenergia.Osmesmosautorescitamvaloresde900°Ce1.200°Cnaanálisedediferentesautores;Consonniet

al.(2006)relatamtemperaturasdeprocessoentre850°Ce1.050°Cparaconfiguraçõessemqueimasuplementar, com eficiências entre 43% e 48%, e entre 850 °C e 1.200 °C em configurações comqueimasuplementar,comeficiênciade52%.

Figura6.36–CiclocombinadocomunidadeSETSpropostoemYuetal.(2003)Notas:MP=médiapressão;BP=baixapressão

Aspectostécnicos,ambientaiseeconômicos

Atítulodeconsolidarinformaçõesrelativasàscaracterísticastécnicas,econômicaseambientais

das diferentes tecnologias de geração de energia voltadas à captura de CO2, Damen et al. (2006)realizaramlevantamentodaliteraturaetabularam-nas;algunsdosvaloressãotranscritosnaTabela6.7,comasrespectivasobservaçõesquesefizeremnecessárias.62

Tabela6.7–Valorestécnicos,econômicoseambientaisdetecnologias(Damenetal.,2006)

Tecnolog iadegeraçãodeenerg ia

Tecnolog iadecapturadeCO2

Eficiêncialíquida(baseelétrica)(%)

Penalidadenaeficiêncialíquida

(%)

EficiênciadecapturadeCO2

(%)

Custoespecíficodeinvestimento(US$/kW)

elétrico

NGCC–classeF Absorçãoquímica 43-50 6-12 85-90 790-1.140

NGCC–classeG/H Absorçãoquímica 48-53 5-11 85-90 880-2.000

CicloGraz ASU 39-45 13-19 100 nãodisponível

CicloMatiant ASU 44-48 11-13 90-100 1.200-1.410

CicloAZEP Membranadeoxigênio 50-55 208 85-100 ~790-1.015

CC+CLC+turbinaCO2

Óxidometálico 51-54 3-5 100 ~1.015-1.470

IGCC Absorçãofísica 32-43 5-9 85-90 1.700-2.450

IG-MCFC-ST Absorçãoquímica 36 nãodisponível 76 3.075

IG-SOFC-GT Diversasestratégias 45-50 nãodisponível 90 1.890-1.990

MCFC-ST Absorçãoquímica 55 nãodisponível 91 2.110

SOFC-GT Pós-queima 59-67 nãodisponível 80-100 1.730-2.110

Notas:valoresoriginaisem€.Fatordeconversãorelativoa2003:1US$=0,885€.Turbinasagás:E-class(de120a170MW);F-class(de 220 a 265MW); G/H-class (> 300MW) (Muller, Valk, Hosse, 2000); ASU – Air Separation Unit; AZEP – Advanced ZeroEmission Power Plants; FC, Fuel Cell; CC – Combined Cycle; NGCC – Natural Gas Combined Cycle; CLC – Chemical LoopCombustion;IGCC(E-gas,Prenflo,Shell,Texaco).

EpílogodoCapítulo6

Nopresentecapítuloforaminicialmenteapresentadosconceitosacercadetecnologiasavançadasdegeraçãodeenergia,bemcomoformasdeclassificaçãodasmesmasencontradasnaliteratura.Combase nas propostas de classificação identificadas, evidenciou-se a existência de rotas tecnológicasdiferenciadas na forma de “famílias” de tecnologias; foram então apresentadas diversasconfigurações de ciclos térmicos avançados disponíveis na literatura, buscando-se evidenciar seusaspectos técnicos e sua adequação às rotas tecnológicas previamente definidas. Sempre quedisponível, foram estabelecidos os meios pelos quais se realiza, em cada tecnologia analisada, acapturadoCO2,assimcomoacorrespondenteeficiênciadecapturadeles.

Oenvolvimentodafontesolarcomcentraisgeradorasdepotênciaéumapossibilidadeatrativadopontodevistadousoracionaldaenergia,umavezqueainclusãodessaenergiarenováveledecustooperacional mínimo em ciclos térmicos de alta eficiência pode representar ganhos interessantes.Destemodo,nopróximocapítulosãoexploradastecnologiasavançadasdegeraçãodeenergiacomempregodafontesolar.

44Segundoalgunsautores,ZEPG(ZeroEmissionPowerGeneration),ouaindaZEPP(ZeroEmissionPowerPlants).45De acordo com Luna e Schuchardt (2001), o termo zeólita, pela definição clássica, abrange apenas aluminossilicatos cristalinoshidratadosdeestruturaaberta,constituídaportetraedrosdeSiO4eAlO4ligadosentresiporátomosdeoxigênio;entretanto,ponderam

serrazoávelousodessetermoparadesignarestruturasanálogascontendotambémtetraedrosdeoutroselementos(PO4,GaO4etc.).Zeólitastêmsidoutilizadascomoadsorventesparapurificaçãodegasesecomotrocadoresiônicosemdetergentes,contandocomusocomo catalisadores no refino de petróleo, na petroquímica, e na síntese de produtos orgânicos cujasmoléculas possuem diâmetrocinéticoinferiora10Å.

46Seletividadeéataxadepermeabilidadedosgasesaseremseparados(Smith;Klosek,2001).47Solventefísicoabasededimetiléterdepolietilenoglicol(Disponívelem:<http://www.uop.com/objects/97%20Selexol.pdf>.Acessoem:24jan.2008).

48Wimeretal. (2006)citamgasesdesíntese,geradosemgaseificadoralimentadoscomoxigênio,com7,1MJ/m3 (8,2MJ/kg) para27%H2,35,6%CO,0,1%CH4,12,6%CO2,6,8%N2+Ar,18,7%H2O(emvolume);e7,8MJ/m3(9,0MJ/kg)para24,8%H2,39,5%CO,1,5%CH4, 9,3%CO2, 2,3%N2+Ar, 22,7%H2O (em volume). O gás natural é citado com 35 MJ/m3 (48 MJ/kg) para 93,1%CH4,1,0%CO2,1,6%N2+Ar,4,3%outroshidrocarbonetos(emvolume).

49DeacordocomGTW(2007a),oASUrepresenta15%docustodeinvestimentoemIGCC,aopassoqueoconjuntodegeraçãodeenergiarespondepor43%,ogaseificador,25%,apreparaçãodecarvão,10%,earemoçãodegasesácidos,7%.

50InformaçõesgeraissobreprocessosdeconversãoquímicapodemserobtidasnoApêndice2.51OautorE.I.YantovskioratambémpublicadacomoE.Iantovski(verambasasformasnasreferências).52A configuração original não apresenta a estrutura de distribuição estequiométrica, introduzida a título de ilustração dos fluxos.OoriginaltambémnãoapresentaaunidadeASU,emboraotextofaçareferênciaàsuanecessidade.

53Decidiu-seincluiroIGCCapósaapresentaçãodastrêsprimeirasFamílias(ourotastecnológicas)pelofatodeessatecnologiaconterelementosdetodasastrês.AsdemaisFamílias(4e5)diferemsignificativamentedastrêsanterioresemtermosconceituais.

54Disponibilidade é a razãoentre adiferençadoperíodoemoperação e ashoras indisponíveis (por saída forçada, falhanapartida,manutençõesprogramadaenãoprogramada)comrelaçãoaoperíodoemoperação(unidade:hora/horaou%).

55OprocessoClausrefere-seaumprocedimentoparadessulfurizaçãodeprocessosquefoipatenteadoem1883econtacomumaetapatérmicaeoutracatalítica(Khartchenko,1998).

56OprocessodesínteseFischer-TropschconsisteemumareaçãocatalíticaentreH2eCOparaformarcadeiasdehidrocarbonetosdeváriasextensões,comoCH4,C2H6,C3H8,dentreoutros,tendoáguacomoprincipalsubprodutodareação(Szklo,2005).

57Ohidrotratamentoéumprocessodedessulfurizaçãonoqualnitrogênioeenxofresãoremovidosapartirdasaturaçãodasmoléculasolefínicas pesadas para que sejam transformadas em moléculas de parafinas (DOE, 2006). Existem diversos processos dehidrotratamentoemumainstalaçãocompletaderefinodepetróleo.

58DeacordocomWimeretal.(2006),adiluiçãocomN2envolveoutrasquestõestécnicas:ar,CO2ouvaporpodemserpreferidosaoN2sequantidadessignificativasdeenergiaforemrequeridasnasuacompressão;háqueseconsiderarqueoarcontémO2, indesejávelpor criar umamistura combustível com o gás de síntese, enquanto o vapor pode carrearminerais ao conjunto a gás, provocandocorrosão.

59O reator demembranapossui umamembrana separadora doH2.Esse reator pode ser tanto o principal comoo auxiliar (reator deshift).Elepartedoprincípiodeque,seforretiradoalgumcomponentenoproduto(porexemplo,oH2),areaçãodesíntese(que,nocaso,éumareaçãodeequilíbrio)sedeslocaparaformarmaisproduto.Essamembrananormalmenteéfeitadepaládio,metalquetemapropriedadederetirarhidrogêniodeumamisturadegases.

60Utilizando-se a ferramenta de pesquisa avançada doGoogleAcadêmico e utilizando-se a palavra-chaveHydrocarb, o autorM.Steinbergeoperíododeanálise entre2000e2008, retornaramapenas três artigos, referentes a2002e2004, estandodisponívelapenasoartigode2002.

61Oartigo apresenta sistemas com injeçãodevapor emcondição atmosférica e pressurizada e IGMCFCcom sistemade limpezadegasesdealtaebaixatemperatura.

62Asfontesquedãoorigemàstabelasreproduzidaseapresentadasnotextooriginalforamomitidasnopresentetexto.

7TECNOLOGIASAVANÇADASDEGERAÇÃODEENERGIACOM

EMPREGODEENERGIASOLAR

“LuzdosolQueafolhatragaetraduzEmverdenovoEmfolha,emgraçaEmvida,emforça,emluz”

(CaetanoVeloso,“Luzdosol”)

Introdução

Muitas pesquisas na área de Energia são atualmente direcionadas para o aprimoramentotecnológicode ciclos térmicos avançadosvisando alcançarpatamaresmais elevadosde conversãoenergética aomesmo tempoque se busca empregar fontes renováveis de energia.A energia solarencontra-sedisponível,entretantoaeficiênciadeconversãoenergéticadessafonteparaaproduçãodeformasúteisdeenergiaencontralimitações.

A energia solar considerada isoladamente pode não ser capaz de garantir suprimento dasnecessidades energéticas dos consumidores em nível que garanta a viabilidade econômica dessessistemas; no entanto, a energia oriunda de fontes renováveis significa redução nas emissões deelementos poluentes para a atmosfera e da degradação dos recursos fósseis, e fica a cargo dasestruturasdepesquisaedesenvolvimentoencontrarosmeiosparaquesealcancea suaviabilidadeeconômica. Além disso, a fonte solar é atrativa não apenas por ser renovável e sem custo defornecimento,masporqueascargastérmicasdosconsumidoreseadisponibilidadederadiaçãosolarestãoaproximadamenteemfase(Alizadeh,2000).

Oprojetoeadifusãodeplacassolaresparaaquecimentodeáguaéassumidocomodedomíniotecnológicoepresentenomercado,motivopeloqualsuamodelagemnãoéapresentadanestetexto.Ospainéisfotovoltaicoseasaplicaçõesdaenergiasolarasistemasderesfriamentodeambientes,emespecial os que se associam a sistemas de cogeração, ainda apresentam baixa participação nomercado e/ou constituem inovação, motivo pelo quais são apresentados neste capítulo comopropostasvoltadasàgeraçãohíbridasolar/convencional.

Ageraçãoelétricafotovoltaica

Painéis fotovoltaicossão tecnologiasdeconversãoenergéticaque transformamaenergiasolardiretamenteemenergiaelétrica.DeacordocomRüther(2000),avantagemdageraçãofotovoltaicaestarianasuasimplicidade,inexistênciadepartesmecânicasmóveis,suacaracterísticamodular(demWatéMW,ouaindaGW),oscurtosprazosdeinstalaçãoecolocaçãoemmarcha,alémdofatodese constituir em uma forma de geração silenciosa, não poluente e renovável. O mesmo autoridentifica, dentre os diversos semicondutores utilizados para a produção das células solaresfotovoltaicas,osseguintestipos,descritosporordemdecrescentedematuridadeeutilização:

–osilíciocristalino,c-Si–osilícioamorfohidrogenado,a-Si:Housimplesmentea-Si– o telureto de cádmio CdTe e os compostos relacionados ao disseleneto de cobre e índio,

CuInSe2,ouCIS,eaodisselenetodecobre,gálioeíndio,CuInGaSe2,ouCIGS.

Cabeocomentáriosobreofatodeosilícioserosegundoelementomaisabundantenasuperfíciedogloboterrestre,vistoquemaisde25%dacrostaterrestreédesseelemento,ecercadecemvezesmenostóxicodoquequaisquerdoselementospresentesnasdemaiscélulas(ocádmio,oselênioeotelúriosãoaltamentetóxicoseogálio,índio,cádmio,selênioetelúriosãomuitoraros).

Ospainéisc-Sisãoosmaistradicionaiseosúnicosdentreoscitadosquefazemusodelâminascristalinas relativamente espessas (espessura entre 300 e 400 mm), o que representa uma maiorlimitação em termosde reduçãodos custosdeprodução.Sua eficiência é daordemde15%e seucusto de produção bastante elevado, sendo as possibilidades de reduzi-lo praticamente esgotadas,pelo que muitos especialistas julgam que tal tecnologia não deve ser considerada como sériacompetidoracomoutrasformasdegeraçãodeenergiaemlargaescala.Asdemaistecnologiassãobaseadasempelículasdelgadasdematerialativosemicondutor(filmesfinos,daordemde1mm)eénesse aspecto que aparentam possuir maior potencial de redução de custos de produção que atecnologiac-Si(Rüther,2000).

De acordo com Jackson e Oliver (2000), os custos da geração elétrica com base fotovoltaicaaindapermanecempoucocompetitivos secomparadoscomosobtidospelamaiorpartedas fontesconvencionais degeração elétrica, à exceçãodo atendimentode localidades isoladas, distantes dasredesdedistribuiçãoelétrica.Aevoluçãodocustodospainéisfotovoltaicos,noentanto,surpreende:em1970custavamcercadeUS$300/Wp,caindoparacercadeUS$5/Wpem1997(Lynn,2010);opreço de sistemas fotovoltaicos instalados nos Estados Unidos encontram-se na faixa entre US$5,7/WpeUS$3,8/Wp,dólarreferidoa2010(Goodrichetal.,2012),adependerdapotênciadopainel

e da categoria de utilização (residencial, comercial, concessionária);63 numa comparação com omercadoalemão,observa-seadiferençadepreçoparaospainéisdeaplicaçãoresidencial,naanáliseassumidosserembaseadosnatecnologiac-Si–enquantonaAlemanhaopainelfotovoltaicode4,9kWp,DC custa US$ 3,74/Wp, nos Estados Unidos custa US$ 5,71/Wp, resultado da políticagovernamental do governo europeu para o incentivo da geração distribuída a partir de fontesrenováveisdeenergia.

Conceitossobrerefrigeraçãoporabsorçãoeejeçãodevapor

Ossistemasderefrigeraçãoporabsorção,aocontráriodossistemasporcompressão,trabalham

comacionamentotérmico.Nesseciclo,osvaporesdealgunsdosfluidosrefrigerantespossíveisdeseremempregadossãoabsorvidosafrioporcertoslíquidosousoluçõessalinas.EssacomposiçãodesubstânciaséconhecidaporsoluçãobináriaepodeseresquematizadanaformadecicloconformeFigura7.1.OcalorQLcorrespondeàcargatérmicaquesedesejaretirardoambienteporrefrigerareo calor cedido no condensador (Q H) pela fase gasosa do fluido refrigerante corresponde àeliminação da carga térmica do ambiente por refrigerar ao ambiente; essas duas fontes de calorcorrespondemàfasegasosadasoluçãobinária.

Nafaselíquida,ocalorQAdoabsorvedoréretiradodemodoagarantirqueapenasafaselíquidadofluidodetrabalhosigaparaabomba;apósabomba,ogeradorrecebeumaquantidadedecalor(QG) externa ao ciclo de refrigeração que garante a transformação líquido/vapor do fluidorefrigerante, permitindo gerar as partículas gasosas que comporão a outra fase do ciclo. Queimadireta de combustíveis, gases de exaustão de combustíveis queimados, água quente ou vapor sãonormalmenteempregadosparaofornecimentodecalornogerador,respeitadasastemperaturasdassubstânciasempregadasnamisturabinária.

Figura7.1–Esquemadeumcicloporabsorçãoclássico

Comoutilizamenergiatérmicaaoinvésdeenergiaelétrica,ossistemasporabsorçãopodemsemostrar competitivo em unidades de processo com disponibilidade de calor; desse modo, aassociação entre esses sistemas de resfriamento e centrais de cogeração baseadas emmotores decombustão interna e conjuntos turbinas a gás tem sido proposta em diversas oportunidades. Emtermosdecomponentes,hásemelhançascomocicloderefrigeraçãoporcompressão:condensador,evaporadoreválvulasdeexpansãosãosimilares,enquantoogeradoreoabsorvedorsãotrocadoresde calorquegarantemamudançade fasede líquidoparagás evice-versa, como auxíliodeumabomba.

Ossistemasderefrigeraçãoporabsorçãopodemempregardiferentesfluidosdetrabalho;Sunet

al.(2012)apresentamumarevisãodosfluidosempregados,dividindo-osemcincosériesdeacordocomosdiferentesabsorventes:sérieutilizandoamônia,sérieutilizandoágua,sérieutilizandoálcool,série utilizando hidrocarboneto halogenado e série utilizando outros meios; em algumas dessasséries,osfluidosseapresentamnaformademisturabinária–dessaforma,épossívelcompor,porexemplo,umciclocomamônia(NH3)comofluidorefrigeranteeáguacomofluidoabsorvente,ouáguacomofluidofrigoríficoeobrometodelítio(LiBr)comoabsorvente.Outrassoluçõesbináriaspossíveis seriamo álcoolmetílico (CH3OH) como refrigerante e brometo de lítio ou brometo dezinco(ZnBr2)comoabsorvente.

UmestudorealizadoporJelinekeBorde(1998)analisouaviabilidadedeseempregaremoutrosrefrigerantes no sistema de absorção, tais como o R-22, o R-134a, o R-124 (2-cloro-1,1,1,2-tetrafluoretano) e o R-32 (difluormetano), bem como compostos orgânicos como o dimetil-eter-tetra-etilenoglicoleodimetil-etileno-ureiavisandoobservarseucomportamento.Nascondiçõesdetestevalidadaspelosensaios,verificaramqueosdesempenhosapresentadosnãosãosatisfatórios.AsunidadesderefrigeraçãocomLiBr-H2Osãomaissimples,umavezque,pelofatodeobrometodelítionãoservolátileresultarnasaídadogeradorapenasvapordeágua,nãoénecessáriooempregodeválvulasdeexpansão(obrometodelítiopuroésólido).

Ossistemasderefrigeraçãoporabsorçãotêmumconsumoenergético(naformadecalorparaoabsorvedor e em bombeamento) superior ao consumido por sistemas por compressão mecânica;equipamentos por absorção consomem uma quantidade de energia superior à sua produçãofrigoríficaeporisso,seucoeficientededesempenho(COP,CoefficientOfPerformance)variaentre0,4e0,8paraunidadesconvencionais,atingindode1,0a1,4paraunidadesmultiestágios.

SegundoSunetal.(2012),umaregrabásicaparaaescolhadofluidodetrabalhoemumsistemaderefrigeraçãoporabsorçãoéaprevisãododesempenhodoprocessodeabsorçãodeacordocomascondiçõesoperacionaissujeitasalimitaçõesaceitáveis,comooproblemadecristalização,limitesambientaisenecessidadesdeequipamentosadicionais.Deacordocomosresultadosalcançados,ospares LiBr-H2O e NH3-H2O com diferentes aditivos seriam os mais importantes, mas os fluidosbaseadosemhidrocarbonetoshalogenadosserevelampromissores,emespecialquandoempregadosem sistemas de absorção termicamente acionados por energia solar, águas termais (fontesgeotérmicas)efontestérmicasdebaixaqualidadeprovenientesdeprocessosindustriais.

Ocicloderefrigeraçãoporejeçãodevapor,porsuavez,sebaseianapassagemdevapordeáguadealtapressãoatravésdeumbocalsupersônicodotipoconvergente-divergenteapóssermisturado,noevaporador, aovapordeáguadebaixapressão;odiagramadaFigura7.2permiteumaanálisemaispormenorizadadessefenômeno(Wangetal.,2009).

Figura7.2–EsquemaediagramaT-sdocicloderefrigeraçãoporejeçãodevaporFonte:Wangetal.(2009).

Afontedeenergiapodesersolar,geotérmicaoucalorresidualdealgumprocesso.Aopassarnacaldeiraderecuperaçãodecalor,vapordealtapressãoéproduzidoeenviadoàturbina.Ovapordeextração da turbina (fluxo 3), referido como vapor primário, ao passar no bocal supersônico doejetor,provocaumagrandeelevaçãodavelocidadeemsuasaída,produzindosignificativovácuonaentrada da câmara de mistura, o que induz a entrada do vapor secundário (fluxo 9), oriundo doevaporador.Oevaporadoréoelementodocicloresponsávelpelaretiradadecalordoambientequesedeseja resfriar.Ofluxodemisturapassapelodifusordoejetor,ondedesaceleraeseguecomofluxo13paraopré-aquecedorecondensador.

Do ponto de vista prático, o emprego do ciclo de refrigeração por ejeção de vapor tem poratrativosanãoexistênciadeunidadesrotativas(considerando-sequeaturbinaavaporpoderia,emtese,nãoestarpresentenainstalaçãocasonãosedesejassegerarenergiamecânicaouelétrica),oquerepresenta redução de ruídos e problemas de vibrações e balanceamento. Do ponto de vista daprimeira lei da Termodinâmica, esse ciclo é menos eficiente do que o ciclo de refrigeração porcompressão;enquantoocoeficientededesempenho(COP,CoeficientOfPerformance)deumcicloderefrigeraçãoporcompressão(acionadomecânicaoueletricamente)encontra-senafaixaentre2e5,oCOPdeumcicloderesfriamentoporejeçãodevaporgeralmenteédaordemde0,5(Zhu;Jiang,2012).64Por talmotivo,estudosvoltadosà integraçãodosciclosdeejeçãodevaporoutrosciclospoderepresentarganhospotenciaisnaformadeconversãodaenergia.

Numa interessante análise de potenciais inovações para o emprego de ciclos avançados deabsorçãodevapor,WueEames(2000)contemplaramdiferentesarranjosquepermitemumaumentosignificativodoCOP,bemcomointegramoejetoraeles.Deacordocomtaisautores,osciclosdeabsorçãodesimpleseduploefeitoquetêmbrometodelítiocomofluidodetrabalhosãoadequadospara trabalhar com temperaturada solução inferior a200 °C,dadoqueacimadela a corrosãoe acristalizaçãodasoluçãopodecausarproblemas;osciclosavançadosdeabsorçãotêmporumdeseusobjetivosreduziroconteúdoenergéticoentregueaogerador(dociclodeabsorção)comoformadeaumentaroCOP.

O trabalhoapresentaarranjosdosquaisconstammúltiplos trocadoresdecalor,absorvedoresegeradores; o emprego de ejetores associados ao ciclo de absorção explora diferentesposicionamentos desse componente no sistema. A Figura 7.3 ilustra o sistema de refrigeração demúltiplosefeitoseestágios,cujoCOPéestimadoem1,65paratrêsefeitos;ocicloGAX(Generator-AbsorberheatExchanger)descritoporAltenkirchepatenteadoem1914,quealcançaCOPde1,53numsistemacomqueimadegás,de250kW,instaladoemMaastricht,naHolanda,commisturaNH3-H2O,écitadoporSunetal.(1996).AFigura7.4apresentaocicloGAXapresentadoemMehretal.(2012),quecomparaduasconfiguraçõesparaociclo,sendoaconcepçãoapresentadaaquelanaqualo ejetor envia vapor do evaporador para o absorvedor e eleva a pressão do condensador e queapresentou omaior valor deCOP (na outra concepção o ejetor é usado para elevar a pressão docondensadoreapresentouomaiorvalordeeficiênciabaseadanasegundaleidaTermodinâmica).

Figura7.3–SistemaderefrigeraçãoporabsorçãocommúltiplosestágioseefeitosFonte:WueEames(2000).

Figura7.4–SistemaderefrigeraçãoGAXFonte:WueEames(2000).

OscicloshíbridosdeabsorçãoapresentamelevadosvaloresdeCOP,porémdealtacomplexidadeeapresentadificuldadesdeselagem;ociclodescritoporWueEames(2000)comocicloCacciola(Figura 7.5) foi investigado teórica e experimentalmente, alcançando COP de 1,96 para misturaLiBr/H2O e 1,30 para mistura NaHO-KOH-C5OH/H2O do ponto de vista teórico. A conclusão dotrabalhodeWueEames(2000)équesãonecessáriosmúltiplostrocadoresdecalorparaamelhoriadoCOP,comapenalidadedoaumentodecomplexidadeecusto;atrocatérmicaentreogeradoreoabsorvedordo cicloGAXnãoé fácil de ser implementada e reduz suas chancesde concretização.Concluem,assim,serdifícilobternapráticaummelhorCOPpeloaumentodosestágioseefeitos.

Figura7.5–CiclohíbridodeCacciolaFonte:WueEames(2000).

Oempregodoejetoraoinvésdocompressorseriaoutromeiodeseconceberoscicloshíbridos,eessaabordagem,poreliminarousodapotênciamecânica,podesignificarumavantagem.Afunçãodo ejetor no ciclo de absorção pode ser classificada como forma de melhorar o processo deevaporação,melhoraroprocessodeabsorçãoemelhoraroprocessodeconcentração;aFigura7.6apresentaumdoscicloshíbridosdeejeçãoeabsorção,objetotambémdoartigodeSunetal.(1996).

Figura7.6–Ciclohíbridoejeção-absorçãoFonte:Sunetal.(1996).

Propostasdeinclusãodoejetoremciclosdecompressãomecânicacomoformademelhoraroseu desempenho são presentes na literatura. Sumeru et al. (2012) apresentam uma revisão daspossibilidades apresentadas na literatura para a inclusão de ejetores em ciclos de refrigeração,resumindo-as em três categorias: (a) o ejetor como substituto do compressor em um sistemaacionado termicamente; (b) o ejetor na entrada do condensador após o compressor, uma ideiaconsiderada ainda relativamente nova; (c) o ejetor como uma válvula de expansão após ocondensador. A Figura 7.7 ilustra as três possibilidades sugeridas pelos autores. AnálisestermodinâmicasrevelammelhoriasdoCOPacimade20%,emboraresultadosexperimentaisestejamlimitados a 10%, sinalizando que um melhor entendimento do fluxo em duas fases do ejetor énecessárioparaotimizaraeficiênciaenergéticadetalsistema.

Figura7.7–CicloshíbridossugeridosporSumeruetal.(2012)

Fong et al. (2011) apresenta um ciclo de compressão com ejetor, que consiste em incluir umejetor e um separador gás/líquido entre o condensador e a válvula de expansão do ciclo decompressão mecânica tradicional, sendo o líquido oriundo do condensador utilizado como fluxoprimário do ejetor e o gás refrigerante vindo do evaporador o fluido secundário; após passar noejetor, o fluxo de gás está com pressão superior à do evaporador, é separado e segue para ocompressor, enquanto a fração líquida segue para a válvula de expansão, entra no evaporador eproduz o efeito refrigerante.O sistema foi avaliado com três fluidos refrigerantes (R22,R134a eR410a),paraosquaisseobservouumaumentonoCOPereduçãonoconsumodeenergiaprimáriadosistema,sendoqueparaoR134aosresultadosforammaissignificantes.

Sistemastermoassistidosporenergiasolar

A possibilidade de redução do consumo de fontes combustíveis primárias em sistemas decogeraçãopormeiodesistemastermoassistidosporenergiasolarérealmenteatrativa,emespecialparaedifícios.Oconceitodecogeraçãocomoalternativadegeraçãodistribuídaparaoatendimentode necessidades elétricas e térmicas em blocos de edifícios comerciais, ou mesmo em escaladomésticaparaunidadesdeaté100kWdegeraçãoelétrica,éumapossibilidadetratadaporFewetal.(1997).

Deacordocomessesmesmosautores,umareduçãosignificativadeaproximadamente25%nasemissõesdomésticasdeCO2poderiaser,dessaforma,alcançada,fatoquealiadoàconfiabilidadeecapacidadedeatendimentodasnecessidadesindividuaisdaunidadeconsumidoraassociadaàpequenaunidadedecogeração,conduzaumacrescenteatratividadecomercial.Nomesmoartigo,propõemumaconfiguraçãoparao sistemadecogeraçãodaqual constam:motordecombustãoassociadoageradorelétrico,trocadoresdecalorparaosgasesdeexaustão,bombadecalorbaseadaemunidadede compressão de vapor e um reservatório térmico, atendendo assim às necessidades elétricas, deaquecimento e resfriamento da unidade consumidora; vale ressaltar, ainda, o destaque dado pelosautoresparaoempregodaanálisepelasegundaleidaTermodinâmicaedaotimizaçãodaunidadedecogeração,aserconsideradoemtrabalhosfuturos.

O tratamento da cogeração num contexto de central térmica distribuída e voltada para oatendimentodenecessidades térmicasdeaquecimentoe/ouresfriamentopodeserbemestabelecidono trabalho de Havelský (1999); unidades de cogeração com motores de combustão interna esistemas de absorção ou de compressão são analisadas, em termos técnicos, pela simulação decondiçõesdeatendimentodenecessidadeselétricas,deaquecimentoeresfriamento.Omesmoartigoapresenta uma discussão acerca dos parâmetros mais adequados para a análise comparativa desistemasderefrigeraçãoempregadosemassociaçãocomcentraisdecogeraçãoemqueoCOP,queconsisteemumamedidadodesempenhodocicloemsimesmo,cedeespaçoparaataxadeenergiaprimária (PER, Primary Energy Rate) quando são comparadas unidades acionadas por diferentesformasdeenergia,comoosão,porexemplo,asunidadesdeabsorçãoedecompressão.

APERédefinidacomoaquantidadedeenergiaprimárianecessáriaparaatenderaumademandaenergética e, por isso, o sistemacommenorvalor dePERé consideradoomelhor em termosdeconsumodeenergia;paraumsistemadecogeração,define-sePERpelaeq.(7.1).

(7.1)

sendo:Qp:energiaprimáriadosistemadecogeração;

∑QH:somadasenergiastérmicassupridaspelosistemadecogeração;

∑QC:somadasenergiasderesfriamentosupridaspelosistemadecogeração;

Wel:energiaelétricalíquidasupridapelosistemadecogeração(excluiusosinternos).

De igual sorte, para um sistema de geração convencional separada por tipo de energia, aexpressãodaPERédefinidapelaeq.(7.2).

(7.2)

paraaqual:

(7.3)

emqueaseficiênciasdizemrespeitoaoequipamentoempregadoparaaproduçãodeenergiatérmica(fornooucaldeira),bemcomoparageração/distribuiçãoelétricaeocoeficientededesempenhodosistemadecompressãomecânica.Acomparaçãoentreoempregodesistemadecogeraçãoegeraçãoconvencional separada se faria, então,pela expressãodo retornocomparativoentreoconsumodeenergiaprimária,conformeeq.(7.4).

(7.4)

sendo:aexpressãoparademandadeenergiaprimáriaemgeraçãoseparadaseriadadapelaeq.(7.5).

(7.5)

Uma interessante contribuição para a concretização de sistemas de resfriamento passivo porejeção solar está apresentada no trabalho deNguyen et al. (2001), no qual formulam uma análisetermodinâmica e econômica, bem como a apresentação da unidade piloto desenvolvida paraavaliaçãodocomportamentodesistemaconcebidosobtalconceito.AFigura7.8ilustraociclocomejeção que é tomado por base e o esquema correspondente ao protótipo construído, com asnecessárias modificações, de modo a eliminar a necessidade da bomba (retirada de componentesativos).Uma alturamínima “h” é alcançada comum fluido de elevada densidade, garantindo uma

queda de pressão operacional adequada. Para a unidade piloto, o fluido refrigerante escolhido foiágua.

Figura7.8–Ciclocomejeção(esq.)earranjosolardaplantapilotocomejeção(dir.)Fonte:Nguyenetal.(2001).

Tapia e Colle (2000) apresentam um estudo termoeconômico de ciclo de refrigeração porcompressãoporejetorauxiliadocomenergiasolar,comanáliseeconômicabaseadanométododeBrandemuehleBeckman(1979).Deacordocomesse trabalho,foramverificadasascaracterísticasdo emprego de diferentes refrigerantes como fluido de trabalho, e o CFC12 e o R114 acusaramaumentodoCOP,enquantooempregodeCFC11,CFC13eeCFC22levouàreduçãodesseparâmetro.

De acordo com a Figura 7.9, o sistema proposto apresenta três unidades distintas: no extremoesquerdo,aunidadedecaptaçãodaenergiasolar,quetransferiráaogeradorocalornecessárioparageraçãodovaporprimário a ser entregue ao ejetor; no centro, o sistemade ejeçãodevapor, queentregaacontrapressãoaocondensador;naextremidadedireita,osistemadecompressãodevapor,naqualoevaporadorestáassociadoàcargatérmicaderesfriamentoquesedesejaretirar.

Figura7.9–SistemaderefrigeraçãoporcompressãoeejeçãoauxiliadaporenergiasolarFonte:TapiaeColle(2000).

Aanálisetermodinâmicaaplicadasobreosistemaemquestãoérepresentadapor:

–COPdaunidadedeejeção:COPejeção=

–COPdaunidadedecompressão:COPcompr=

com

Wmec=Wcompr+Wbomba≅Wbomba

Qs=Qe+Wbomba

AsbasesdaanáliseeconômicabaseadanométodoLCS(LifeCycleSavings)estãofirmadasnaformulaçãodaequação(7.6),sendo:

LCS retornosobreociclodevidadosistemadeaquecimentosolarsobreosistemadeenergiaconvencional (US$)

CF custounitáriodaenergiaconvencionalentreguenoprimeiroanodaanálise (US$/GJ)

L cargatérmicacombinada(águaquenteeambientes)emmédiaanual (GJ)

F fraçãoanualdecargatérmicasupridapelaenergiasolar –

CA custodeinvestimentoemenergiasolar,diretamenteproporcionalàáreadocoletor (US$/m2)

A áreadocoletor (m2)

cE custodeinvestimentoemenergiasolardaparcelaindependentedaáreadocoletor (US$)

P1 fatorrelativoàeconomiaanualsobreoscustosdecombustívelnoprimeiroano –

P 2 fatorrelativoaosgastosdecorrentesdoinvestimentoadicionalaoinvestimentoinicial –

Os modelos de otimização para análise da geração energética assistida por energia solarencontramembasamentoemtrabalhoscomoodeLindenbergeretal.(2000),queutilizamummodelodeotimizaçãolinearquase-dinâmico,comintervalosde1horaparaumano,representativodoperfilde demanda por calor e eletricidade, com objetivos econômicos e de emissões, para analisar ocomportamentodeunidadessolaresemaquecimentodistrital;afunçãoobjetivoaserminimizadanomodelo de otimização é relativa à energia primária fornecida por tecnologias não-renováveis.Asinfluências não lineares e dependentes do tempo dos parâmetros intensivos da eficiência dastecnologiasconsideradassãoavaliadas.

Cincoopçõestecnológicassãoconsideradasnaanálise:

1)aquecimentocentraladicionalporcaldeiradeaquecimentoagás;2)aquecimentocentraladicionalporcaldeiradeaquecimentoagásebombadecalorelétrica;3)aquecimentocentraladicionalporcaldeiradeaquecimentoagásebombadecalordeabsorção

comqueimadegás;4)aquecimentocentraladicionalporcaldeiradeaquecimentoagásebombadecaloracionada

pormotordecombustãoqueimandogás;5)aquecimentocentraladicionalporcaldeiradeaquecimentoagásecogeraçãocomqueimade

gás.

As capacidades das bombas de calor e do sistema de cogeração são limitadas a 300 kW porrazõesdeordemeconômica,etalcapacidadecorrespondeacercade40%dacargatérmicadepicodemandada. As Figuras 7.10 e 7.11 apresentam as configurações para as diferentes opçõestecnológicas;asopções1a4demandameletricidadeconsumidadaredepública,sendoessaapenasgeradanaopção5(cogeração),apesardenãoseconsiderargeraçãodeexcedentesdeenergiaparavenda.

Figura7.10–Opçõestecnológicas1e5Fonte:Lindenbergeretal.(2000).

Figura7.11–Opçõestecnológicas2a4Fonte:Lindenbergeretal.(2000).

As áreas do coletor foram testadas para valores entre 600 e 1.500 m2 e os volumes dearmazenamentotérmicoestãoentre720e6.300m3.Paraascondiçõesdepreçosdaenergiaavaliadas,as instalaçõessolaresdemédiae largaescalase revelarammaiscarasqueascaldeirasqueimandocombustíveis fósseis;paraosistemaconsiderado,acogeraçãopodealcançareconomiadeenergiaprimárianãorenovávelde20%comcustosabaixodaqueletomadocomosistemadereferência;noentanto,economiasdeenergiamaioresque20%requereramutilizaçãoadicionaldefontesdeenergiarenovável.Seeconomiasmaioresde40%sãopretendidas,aeletricidadetambémdeveserproduzidaapartirdeoutrasfontesrenováveis.Aseconomiasdeenergiaeasreduçõesnasemissõesalcançadaspelo sistema de aquecimento solar podem ser aumentadas consideravelmente pela integração debombasdecaloresistemasdecogeraçãoparageraçãodecaloreenergiaelétrica.

Análisesmaisrecentesdequestõessimilaresdemonstramaatualidadedapreocupaçãodeinclusãodafontesolaremunidadesdecogeração.MaeseVanPassel(2012)desenvolvemumametodologiapara estudar a interferência não intencional entre diferentes políticas públicas utilizadas parapromoveraeficiênciaenergéticaeousodeenergiasrenováveis.Paraisso,empregaramumesquemapróximo ao que é apresentado na Figura 7.10 e concluíram que os possíveis benefícios dacombinação de tecnologiasmais limpas não dependem tanto da questão técnica dos sistemas,masespecialmentedaspolíticaspúblicas.

Emoposiçãoaoquefoiatéaquiapresentado,há iniciativasquepoderiamserregistradascomocogeração empregando energia solar como forma de geração centralizada; como exemplo de taisiniciativas, centrais de geração termelétrica baseada em unidades concentradoras solares têm sido

modeladas e mesmo construídas. Nesse conceito, a radiação solar tem seu foco concentrado porcentenasamilharesdeespelhosdotadosdemovimentoparaacompanhamentodosoledirecionadosauma torredemodoaaquecerumsal fundidoqueébombeadoparaa torreeacumuladoemumtanquedetemperaturasuperior.Osalaquecidoéenviadoaumgeradordevaporecedecalorparaaáguademodoaproduzirvaporemumaturbinaavapordecondensação,retornandoparaumtanquedearmazenamentodesaldetemperaturainferior,deondeébombeadoàtorre(Solarpaces,s.d).

Allanietal.(1997)discutiramoconceitodecentraisdegeraçãotermelétricahíbridassolar/ciclocombinado com capacidade entre 58 e 88 MW de geração elétrica em condições operacionaisdiversas, relativamenteaumaunidadepilotoemestudopara ser implantadanaTunísia;osautoresrealizamumaanálisedeotimizaçãotermoeconômicaparaidentificaçãodecaracterísticasdesejáveisparaoseuprojeto,noqualumaalternativapossível,porémaindanãomadura,consistenageraçãoparcialdevapordiretamentenos tubosdoscoletoressolares,porassociaçãoagásnatural,carvão,óleo ou gás gaseificado de carvão em unidades termelétricas de maior porte, ou biomassa emcentraistérmicasmenores,essasúltimascomvantagensnamitigaçãodoCO2.

Kolb(1998)apresentouapropostade torresdegeraçãosolarnumcontexto tantohíbrido(comciclocombinadooucomcicloavapor)quantoapenassolar.Propostadeunidadesde100MWemescalacomercialestariasendoconsideradaparaseremfuturamenteconstruídas,eprevê-seque,como aumento nos custos dos combustíveis fósseis, unidades entre 200 e 400 MW sejampreferencialmenteimplantadas.

Diversasiniciativastêmsidoplanejadasemesmoconstruídas,comosepodeobservarempáginasespecializadasda internet.65Observa-se queos custos referentes ao investimentona tecnologia deconcentradoressolaressãocomparáveisaosdastecnologiasdecapturaearmazenamentodeCO2eaindamuitosuperioresaodasopçõesdegeraçãotermelétricaconvencionais,masquepodemreduzircomaproduçãoemlargaescala(Lilliestametal.,2012).

EpílogodoCapítulo7

Este capítulo procurou apresentar um conjunto de informações publicadas na literatura técnicaquerepresente,aomenosemparte,oestadodoconhecimentonaáreadecogeraçãotermoassistidapor energia solar; constata-se que muitos desenvolvimentos metodológicos e de manufatura sãoainda esperados neste campo do conhecimento, mormente por conta da necessidade de maiorevolução tecnológica para a concretização de sistemas acionados com ejeção solar associados asistemasdecogeração.

No próximo capítulo são discutidos os modelos empregados para a análise prospectiva detecnologias em ciclos térmicos de geração em termos de projeto e operação, bem como aincorporaçãodecustosambientaisàgeraçãodeenergiaeproduçãoderesíduos.

63AunidadeWp(Watt-pico)éumagrandezadepotênciautilizadaparadesignar,empainéisfotovoltaicos,aproduçãomáximapossívelem condições padrão em função da intensidade de radiação, em especial, que é dependente da localização geográfica onde seencontra o equipamento.Wp,DC identifica o emprego de painél fotovoltaico comgeração de eletricidade em corrente contínua (DC,DirectCurrent).Adespeitodeseuusocorrentenessedomíniodoconhecimento,oempregodesubscritosemunidadesdemedidanãoépráticaabonadapelasnormastécnicasbrasileiras.

64DopontodevistadasegundaleidaTermodinâmicarelativizam-setaisvalores,umavezqueociclodecompressãoéacionadoporpotênciaelétricaoumecânica,demaiorqualidadeexergética,eosciclosdeabsorçãoeejeçãoosãoporpotênciatérmica.

65Comoem:<http://www.csp-world.com/cspworldmap>.

8VERTENTESMETODOLÓGICASPARAANÁLISEDENOVAS

TECNOLOGIAS

“Ométodoénecessárioparaainvestigaçãodaverdade.”

(Descartes)

Introdução

Apartirdos fundamentosanteriormenteestabelecidos,devemserconsideradososmodelosquenelessebaseiamdemodoapermitirqueossistemasenergéticosemanálisepossamserpropostoseavaliados de forma adequada quanto ao atendimento dos níveis aceitos como razoáveis para acategoriadeprojetoaquesedestinam.

Nestecapítuloapresentam-semodelosdeavaliaçãotecnológicaquebuscamviabilizaroempregodenovas tecnologias;osmodelosdeavaliaçãoqueserãoaqui tratadosdizemrespeitoàquelesquepermitemanalisar,emcondiçõesdeincerteza,oespectrofuturodetecnologiasquepoderãoviraserefetivamenteimplantadas,bemcomosãotratadososmodelosquesedestinamàseleção(síntese)decomponentescorrenteseprospectivosquepodemfazerpartedeumsistemadegeraçãodeenergiaeosmodelosquepermitemacomparaçãoentretecnologias.

Modelosdesubstituiçãotecnológica

De modo diverso a outros campos do conhecimento, as mudanças fundamentais na áreaenergéticaocorremdemodolento;dopontodevistadasfontesprimárias,porexemplo,amudançada lenhapelocarvão,apósseu largoemprego,marcaoadventodamáquinaavapor,doaçoedasestradasdeferronaRevoluçãoIndustrial,emfinsdoséculoXIX,eapenetraçãodoóleoedogássedeu ao longo do século XX. Entretanto, há nichos tecnológicos no campo do conhecimentoenergético que se comportam de modo mais dinâmico, como o que diz respeito à evolução detecnologiasdeusofinal.

Aanálisedeprevisãodelongoprazoparasuprimentoenergéticodeveconsideraroempregodecenários66alternativosqueestabeleçampanoramasfuturosincertos.ParaGritsevskyieNakicenovic

(2000),umadasmaisimportantesmotivaçõesdesedesenvolveremestudosdeavaliaçãotecnológicae incertezasemcenáriosdesistemasdesuprimentoenergéticoécapturarasdiferentesdireçõesdepossíveismudançastecnológicasquesurgemcomoresultadodemelhoriasetrocasdetecnologias.

Osmodelosdesubstituiçãotecnológicasãoimportantesparaadefiniçãodepolíticaspúblicasquepermitam sinalizar caminhos preferenciais assumidos pela sociedade, em direção, por exemplo, àimplantaçãodeatividadescomcaracterísticassustentáveisemdetrimentodeoutrasatividades.Paratanto,descrevem-sedoistiposdemodelos:osmodelosdebaixoparacima(bottom-up)eosmodelosdecimaparabaixo(top-down).

Segundo Rivers e Jaccard (2006), os modelos bottom-up descrevem tecnologias (correntes eprospectivas)emdetalhes,masfaltaumretratorealistadedecisõesmicroeconômicasporpartedasempresas e consumidoresquando selecionamas tecnologias, aomesmo tempoemque falhamemnão representar potenciais retroalimentações de equilíbrio macroeconômicas. Por sua vez, osmodelos top-down abordam as questões de retroalimentação de equilíbrio macroeconômicas epermitemestimarparâmetrosparamudanças tecnológicasapartirdeobservaçõesdareceptividadedomercadoemassumi-las;noentanto,nãosãocapazesdeauxiliarosformuladoresdepolíticasnaavaliação das respostas do mercado futuro, já que as tendências do passado podem mudar compesquisaedesenvolvimento, regulamentações, incentivos,mercados,dentreoutros fatores.Por taismotivos, modelos híbridos têm sido propostos na literatura, alguns dos quais são brevementeapresentadosaseguir.

Num trabalho de resgate histórico dos caminhos trilhados pela modelagem de substituiçãotecnológica,registram-seosartigosdeGriliches(1957)eMansfield(1961),quedemonstraramqueosparâmetrosdedifusãodependemdefatoreseconômicos(dentreoutros,decerto)eodeHausman(1979),peloqualamodelagemenergéticapassouaconsiderarosmodeloslogísticosparaescolhastecnológicas.Nessemesmocampometodológico,identificam-setambémostrabalhosdeBlackmanJr.(1971)eFisherePry(1971).

Emgeral,oprocessodesubstituiçãopodeserbemmodeladopeloempregodascurvaslogísticasemformatodeS(S-shapedcurves),cujocomportamentopodeserassimexplicado(Reddy,1996):oprocesso de substituição se inicia de forma lenta até que sejam superados os problemas e asresistências iniciais, quando então o processo ocorre de formamais rápida até que a competiçãoentreavelhaeanovatecnologiasetornemaisforteeanovatecnologiasetornamaisvantajosa,efinalmenteestaseaproximadasaturaçãoeiniciaumprocessodedeclínio,aomesmotempoemqueoutra tecnologiaganhaaceitação,principalmentepelo fatode sermaiseficiente; équandoentãooprocessosereinicia(Figura8.1).

Figura8.1–Curvalogísticaparamodelagemdesubstituiçãotecnológica

ApósumafasedegrandesinvestimentosiniciaisemPesquisaeDesenvolvimentoeummercadoincipiente,ocustomarginal67dedadatecnologiasereduzdemodosistemático;assim,quantomaislargamenteadotada tal tecnologia,maisbarataelase torna,epelareduçãodas incertezas,menoresriscossãoassociadosàsuaadoção;porsuavez,quantomaisumatecnologiaéempregada,tãomaisela tende a eliminar outras possibilidades de emprego de tecnologias concorrentes (Gritsevskyi;Nakicenovic,2000).

Dois modelos que têm nas curvas logísticas suas bases para a avaliação comparativa detecnologiascompetitivassãoaseguirapresentados:

ModelodeLotka-Volterra

O modelo de Lotka-Volterra foi originalmente desenvolvido buscando descrever processoscompetitivosnocampobiológico (modelopresa-predador);odesenvolvimentoaquiapresentadoédevido a Reddy (1996), que o considerou em seu estudo para a avaliação competitiva entreenergéticosempregadosparacocção (lenha,querosene,eletricidade,dentreoutras)atravésdeseuscorrespondentesequipamentos.

ATabela8.1,resgatadadacitadareferência,ilustraacorrespondênciaentreomodelotradicionaldeLotka-Volterraeopropostonotrabalho,assimcomoidentificaasvariáveisconsideradas.

Tabela8.1–Comparaçãoentresistemasenergéticosebiológicos(Reddy,1996)

ModelodeLotka-Volterra Modelodesubstituiçãotecnológ ica Terminolog ia

populaçãodepresas númerodecasasusandovelhatecnologia x1

populaçãodepredadores númerodecasasusandonovatecnologia x2

capacidadededeslocamentodaspresas nomáximodecasasquepodemusarvelhatecnologia N1

capacidadededeslocamentodospredadores nomáximodecasasquepodemusarnovatecnologia N2

fraçãodocrescimentodepresas taxadeaceitaçãodavelhatecnologia k1

fraçãodocrescimentodepredadores taxadeaceitaçãodanovatecnologia k2

fraçãodemortedepresas taxaderetiradadavelhatecnologia d1

fraçãodemortedepredadores taxaderetiradadanovatecnologia d2

influênciadopredadorsobreapresa fatordeinteraçãoentrenovaevelhatecnologia b1

influênciadapresasobreopredador fatordeinteraçãoentrevelhaenovatecnologia b2

interaçãomeioetempo interaçãomeioerenda I

Noreferidoestudo,avariaçãodex1ex2ocorreemrelaçãoàrenda(I),aoinvésdetercorrelaçãocomotempo(t),vistoseraprimeiramaisrelevanteparaadecisãoacercadomodelodesubstituiçãotecnológica para comparação entre diferentes fogões. Suponha a variação de apenas duastecnologias,T1eT2,admitindo-sequeT1jásejaexistente.Omodelomaissimplesaserpropostoéaqueleemqueataxadevariaçãodex(sejax1oux2)dependeapenasdoestadocorrentedatecnologia.AvariaçãodexcomarendaIéexpressapelaequação(8.1).

(8.1)

Tal modelo pode ser melhorado assumindo-se que o sistema se estabiliza com o aumento darenda; a dependência entre λ e x pode ser modelada por uma função linear, assumindo paraestabilidadedomodeloqueλdevedecrescer,ouseja,λ=μ–αx.

Dessemodo,amanipulaçãodaequação(8.1)levaàequação(8.2).

(8.2)

Tal modelo representa um sistema que se inicia em um estado particular e estabilizaexponencialmente em outro estado, podendo ser empregado para a modelagem de sistemascompetitivos; em geral, sistemas competitivos são modelados usando um conjunto simultâneo deequações,ou,emoutraspalavras,x1ex2 são interdependentes.Assumindoquex2 influi emx1 pormeiodeumadependêncialinear,entãoarelaçãoentreμex2,nasuaformamaissimples,édadapelaequação(8.3).

μ=ν–β*x2 (8.3)

peloquesepodechegaràequação(8.4),ou,deformaalternativa,porinterpretaçãomaissimples,àsequações(8.5)e(8.6),comν=k1x1,α=k1,β=β*/k1.

(8.4)

(8.5)

(8.6)

AsoluçãoanalíticadocasogeralparatodarendaInãoépossíveldeserobtidaparaasoluçãodosistemadeequaçõesnãolinearesacopladas;noentanto,paraocasoespecialemqueα=β=1,k1=k2=k,independentedeI,sujeitoavaloresiniciaisdeestadodadosporx1(0)=x1(I=0)ex2(0)=x2(I=0),noqualN1eN2variamlinearmentecomIdeacordocomasexpressõesN1=p1+q1IeN2=p2+q2I,emquep1,p2,q1eq2sãoconstantes.Paraacomposiçãodasequaçõesapresentadasem(30),deduz-seaequação(8.7).SubstituindoN1eN2esimplificandoparaposteriormenteaplicaraintegração,chega-seàequação(8.8),sendoasconstantesC,peqobtidasporanálisederegressãoentreln(x2/x1)eI.

(8.7)

(8.8)

AFigura8.2ilustraoempregodarelaçãoexpressapelaequação(8.8)paracompararGLP(x2)equerosene (x1), observando-se que com aumento da renda I há aumento da substituição até uma(aparente) estabilidade a partir de $ 600/mês/capita. O modelo pode ser generalizado para umnúmerofinitodetecnologiascompetitivas,Si,i=1,2,...,M,sendoEicadaumadastecnologiaseZomeiopeloqualsedáainteração(equação8.9).

(8.9)

Figura8.2–SubstituiçãoentreGLPequerosene

Há que observar que o modelo representado pela equação (8.8) representa uma análisesimplificadadeumproblemamaiscomplexo,equenãodeveserextrapoladaparaoutrassituaçõessimilares.TrabalhosmaisrecentesempregandoomodeloLotka-Volterratêmsidoapresentadosparatratamentodetemasenvolvendoquestõesambientais,demandaenergéticaepolíticadeintegraçãodefontesrenováveisdeenergianomercadocentralizado(Puliafitoetal.,2008;Miahetal.,2012).

Modelodedifusão

Omodelo de difusão, desenvolvido emDecanio e Laitner (1997), é apresentado pelos autorescomoumageneralizaçãodomodelodeescolhatecnológicapelavisãoeconométrica;deacordocomavisãoeconométrica,aparticipaçãodemercadoSireferenteàtecnologiaiéexpressapelaequação(8.10).

(8.10)

sendouiafunçãoutilidadeassociadaàescolhadatecnologiai,eoíndicejvariasobreafaixadasnpossíveis escolhas tecnológicas.Para simplificar a exposição, sejamapenasduas tecnologias, uma“nova”eoutra“velha”.Atecnologiavelhaéestáticanosentidodequenemocusto inicialdeseuscomponentes,tampoucoseuscustosoperacionaismudamaolongodotempo;dessaforma,aequação(8.10)podesersimplificadanaformadaequação(8.11).

(8.11)

Se a função utilidade ui é escrita como uma função do custo de investimento Ci e dos custosoperacionaisOi,entãouminvestimentoquenãoaltereafunçãoutilidadeseráumaexpressãodotipodu(Ci, Oi) = 0 = u1dC + u2dOi. Um investidor será indiferente entre fazer um investimento oupostergá-loseesomenteseseuvalorpresentelíquido(NPV)forzero(eq.8.12).

(8.12)

sendo T é o tempo de vida útil do projeto e r é uma taxa de juros adequada. Dessa forma, pormanipulaçãoalgébricadasequaçõesprecedentes,obtém-seaequação(8.13).

(8.13)

Sea funçãoutilidade tomara forma linearmais simples (com–βoi escolhidademodoa fazercomqueaparticipaçãodatecnologiaicorrespondaàsuaatualparticipaçãodemercado),istoé,ui=βoi–β1iCi–β2iOi, e seavidaútildoprojeto for longaobastantedemodoque r=β1i/β2i, então seobtémaequação(8.14),comβ0i,β1ieβ2iestimadosporanáliseeconométricacomtécnicas-padrãode

análisededados.68

(8.14)

DecanioeLaitner(1997)deduzemqueaequação(8.14)correspondeaumaformasimplificadadafunção logística de difusão, sendo esta última tomada em sua forma mais simples; a adoção detecnologias dentro de determinado panorama econômico pode ser comparada a uma epidemia, naqualataxademudançadaparticipaçãodecertatecnologiaéproporcionalàfraçãodeorganizaçõesque já tenhamadotadoanova tecnologia, a fraçãoquenãoa adotouainda (equeestá suscetível àadoção) e a taxa de sua evolução (que depende de fatores econômicos, como os custos deinvestimentoeoperacionais).Demodoformal,seSicorrespondeàparticipaçãodanovatecnologiai,então a taxa de evolução da nova tecnologia Si ao longo do tempo é obtida pela equação (8.15),devendo-se esclarecer que em tal expressão a variável bi não é ainda expressa em termos dasvariáveiseconômicasdasquaispodedepender.

(8.15)

A equação diferencial assim disposta tem sua solução na função logística padrão, em formato

próximo da equação (8.14), mas expressa na equação (8.16) com as variáveis boi como sendo aconstante de integração que torna Si(0) igual à atual participação demercado da tecnologia; se bidepender de fatores econômicos, comoos custos operacionais e de investimento, passa a ser umaversãomaisgeraldafunçãologística(3.13),cujoexemplopoderiaseraexpressãodaequação(8.17).

(8.16)

(8.17)

Essa forma particular pode ser obtida da equação (8.7) caso se considere, para custosoperacionaisedeinvestimentoemfunçãodotempo,Ci(t)=Ci/teOi(t)=Oi/t,queemverdadesãoexpressões adequadas para o tratamento da questão, visto que o conhecimento adquirido peloempregoda tecnologia e as economias de escala tendema declinar como tempo.Uma expressãoaindamenosrestritivaseriaobtidapelaequação(8.18).

(8.18)

Para Decanio e Laitner (1997, p.257), a discussão que aqui se apresentou de forma breveestabeleceque“ousodeumafunçãologísticaincompleta,queincluiapenascustosdeinvestimentoeoperacionais, levará a uma estimativa inferior acerca da penetração de mercado de uma nova esuperiortecnologia,equeumaespecificaçãologísticamaisgeralqueincluaumtermodetendênciagarantirá uma melhor previsão da penetração de mercado de tecnologias”. A difusão de novastecnologias,comoastecnologiaspoupadorasdeenergia–completamtaisautores–ocorreporumavariedadederazões,incluindo-seatransmissãodeinformações,oaumentodafamiliaridadecomosprodutoseaefetividadedecustodasmesmas.

Umaúltimaeinteressanteaplicaçãodesseequacionamentosetraduzemestimativasdotempoquedevelevarparaquecertatecnologiasedesloquedeumaparticularparticipaçãonomercadoparaumamaiorparticipação;amanipulaçãoalgébricadaexpressãologísticamostraqueseatecnologiatemparticipaçãoS2notempot2eparticipaçãoS1notempot1,entãosepodeobtero intervalode tempopara a variação da participação de uma tecnologia através da equação (8.19). Como exemplo deaplicação, assumindo-se taxa de difusão (b) de 0,4 seriam necessários 11 anos para que umatecnologia que dispõe de 10% do mercado alcance 90% de participação; com a mesma taxa dedifusão,otempoparaqueatecnologiapassede5%para95%domercadoéde14,7anos.Talcomonaequação(8.8),nãosedeveutilizaraequação(8.19)simplesmenteextrapolando-aparasituaçõessimilares.

(8.19)

Pillai eBanerjee (2009) ilustramo empregodemodelosdedifusãoparageraçãode energia apartirdefonteeólicaepequenascentraishidrelétricas,bemcomoparaoaquecimentodeáguapormeiodeenergiasolar,apartirdehistóricodedadosdisponíveisparaaÍndia.RaoeKishore(2010)apresentamuma revisãodosmodelosdedifusãoaplicadosàs tecnologiasdegeraçãodeenergiaapartirdefontesrenováveis,alertandoparasuaimportâncianoatualcontextoemqueosgovernostêmfavorecidotaisformasdeenergiaatravésdepolíticasdeincentivoseregulamentações.

Modelosdesíntesedetecnologias

Tantoas tecnologiascorrentesquantoasprospectivasdevemserconsideradasparaprojetosdesistemasdeconversãodeenergia.Aalternativaàescolhapuraesimplesdedadastecnologias,combase na opinião pessoal ou coletiva (uma equipe de projeto ou o conjunto dos investidores, porexemplo),consisteemdesenvolverumaplataformadeprojeto,denominadasuperestrutura,quedevecontemplarumagrandevariedadedealternativasaseremconsideradasquandodaobtençãodeumasoluçãoàsnecessidadesenergéticasestabelecidas.

Modelosdesuperestruturas

Diversas superestruturas têm sido apresentadas na literatura técnica visando estabelecer ascondições de auxílio ao projeto e à operação de sistemas de conversão de energia. A propostaapresentada por Yokoyama et al. (2002) e reproduzida na Figura 8.3 ilustra a utilidade de umasuperestrutura: na parte superior da ilustração dispõem-se em malha de fluxo as tecnologiascontempladas (representada por blocos) em termos da compra de energia (elétrica, combustíveis,água,produtosquímicos,outros),ossistemasdeconversãodeenergia(tecnologiascorrentescomocaldeiras, turbinas a vapor, compressores, motores de combustão interna, dentre outros, etecnologias prospectivas, como os ciclos avançados discutidos nos capítulos precedentes) e asformas de uso da energia (elétrica, mecânica, aquecimento na forma de vapor saturado, vaporsuperaquecido, ar ou água quente, resfriamento na forma de ar ou água refrigerada, produtosquímicos,águapotável,dentreaspossibilidadesdoquesedenominapoligeração).Dopontodevistadasíntesedecomponentesparaoprojeto,blocossãoselecionadosounão,oquesetraduzemdefinirasformasdeenergiadeentrada,astecnologiasdeconversãoeosusosdaenergia;umavezdefinidosos componentes, dopontodevistadaoperaçãodefine-se cadaumdos elementos estabelecidosnoprojetosendoounãoacionadosaolongodotempo.

Nas superestruturas, as informações referentes aos usos da energia são do conhecimento doprojetistadosistematérmico,ouaomenospodemserestimadoscombaseeminformaçõesrelativasaos processos que farão uso das formas de energia que se pretende gerar. Para a seleção de

tecnologiaspodemserempregadosmodelosdeotimização,osquaisserãodiscutidosnasequência.Aaplicaçãodoconceitodesuperestruturasemsistemasdegeraçãodeporteindustrialtemsidoo

demaiorrecorrênciana literatura.ChangeHwang(1996)estabeleceramummodelomultiobjetivobaseadoemtécnicadeprogramaçãopormetas(goalprogramming),comestruturalinearinteiraparaaseleçãodeequipamentosdacentraldeutilidadesdeumaindústriaquímica.

Figura8.3–ilustraçãodesuperestruturapropostaemYokoyamaetal.(2002)

BalestierieCorreia(1997)apresentamumasuperestruturaemmodelomultiobjetivo,baseadoemtécnicainterativacomlógicadeprogramaçãointeiraassociadaagrafosgeneralizadosqueconsideraaspectoseconômicos,ambientais,deeficiênciaexergéticaeconfiabilidadedegeraçãoelétricaparaaplicaçãoemumaempresadosetorquímico.Aestruturadomodelodeotimizaçãoélinear,baseadaemgrafosgeneralizados,eoproblemaéresolvidoemduasetapas,sendoaetapainicialresponsávelpela definição do ciclo térmico principal com base em valores anuais e a etapa final dedicada àseleçãodosequipamentosreferentesaocicloescolhidocombaseemvaloresmensais.AFigura8.4ilustraasuperestruturaproposta(naqualosblocos3a8representamcaldeirasconvencionais,9a13representamconjuntosagás integradosacaldeirasde recuperação)easoluçãoobtidaapartirdasinformaçõesdousodaenergiadefinidosparaaunidadedeprocesso.

Figura8.4–SuperestruturaeconceitofinalpropostoemBalestierieCorreia(1997)

OsartigosdeMavromatiseKokossis(1998a,b)agregamaousodesuperestruturaapropostadeanalisaropçõesdetrocatérmicabaseadonaanálisedeintegraçãodeprocessos(PinchAnalysis).Nocasoemquestão,asuperestruturaconsideracaldeiraseturbinasavaporcommodelodeotimizaçãolinearinteiroparaaformulaçãodaseleçãodoscomponentes.ApropostadeIyereGrossmann(1998)discuteoempregodeformulaçãolinearinteiraemsuperestruturaparaaplicaçãoindustrialtantoparaa seleção de componentes quanto para definir sua condição operacional (ligado/desligado) emmúltiplosperíodosdetempo.

Aguilaretal.(2005)discutemoconceitodesuperestruturadeprojetoeoperaçãocomaplicaçãoindustrial no contexto da variação das quantidades envolvidas no uso da energia e dos preços docombustível empregado.Varbanovet al. (2005)desenvolvemanáliseutilizando superestruturaparauso industrial a partir do emprego de conjuntos a gás e caldeiras de recuperação, caldeirasconvencionais e turbinas a vapor de contrapressão e condensação. A proposta dos autores seriaconsideraroscustosdereduçãodasemissõesdeCO2noprocessodeseleçãodetecnologias.Aguilaretal. (2007a,b)apresentamummodelodeaplicaçãoindustrialembasespróximasàsanteriormentediscutidasparasoluçãodeproblemasrelativosàoperaçãodasinstalaçõesexistentes,modificaçãodeinstalações existentes (retrofit) e o projeto de novas instalações de forma desacoplada do projetoexistente.

Ainda em abordagem industrial, com aplicação para indústria química, Chen e Lin (2011)apresentamsuperestruturabaseadaemmodelolinearinteirocujodiferencialéaotimização,dentreoutroparâmetros,daspressõesetemperaturasaseremconsideradasnaslinhasdealta,médiaebaixa

pressão.Dopontodevistadaaplicaçãonosetorterciário,Lozanoetal.(2009)apresentamumaproposta

paraoatendimentodasnecessidadesenergéticasdeumhospitaltomandoporbaseummodelolinearinteiro que determina o tipo, o número e a capacidade dos equipamentos disponíveis nasuperestrutura,fundamentadaemumsistemadetrigeração(eletricidade,aquecimentoeresfriamentode ambientes); restrições devidas a aspectos legais com relação à eletricidade entregue à rede daconcessionária sãoconsideradas,assimcomoa influênciadospreçosdaenergianasoluçãoótimaobtida.

Amanoetal.(2010)apresentamsuperestruturabaseadaemmodelolinearinteiroparaumedifíciocomercial. O trabalho analisa ainda o impacto da cobrança de taxa pela emissão de CO2 noplanejamentodosuprimentoenergéticodaedificação.Osequipamentosdispostosnasuperestrutura,e representados por letras nos blocos, são: caldeira (BS), sistema de refrigeração (CH), torre deresfriamento (CT),motoragás (GE), sistemade refrigeraçãoporabsorção (GL),bombadecalorelétrica para tanquede salmoura (HB), trocador de calor salmoura/água (HEB), trocador de calorágua/água (HEH), trocador de calor vapor/água (HES), bomba de calor elétrica (HP), tanque dearmazenamento de gelo (IHB), sistema de refrigeração por compressão (RE) e sistema derefrigeraçãoporabsorçãoacionadoagás(RG).

Expandindooconceitodesuperestruturasparasistemasdepoligeração,destaca-seotrabalhodeFerreiraetal.(2010),quedesenvolveumasuperestruturacommúltiplasalternativasdecogeraçãoedetecnologiasdedessalinização,demodoaatenderàsnecessidadeselétricas,devapordeprocessoeágua potável. O sistema de duplo propósito em estudo considera a possibilidade de emprego defontes renováveis (biomassa in natura e gaseificada) e não renováveis (gás natural e óleocombustível)comoformadesuprimentoenergético,sendoaescolhadastecnologias,adefiniçãodonúmerodeequipamentoseacorrespondentecapacidade(potência)dosequipamentosrealizadapormodelodeotimizaçãolinearinteiro.AFigura8.5ilustraasuperestruturasugerida.

Figura8.5–superestruturadepoligeraçãopropostaemFerreiraetal.(2010)

OutrapropostadesuperestruturabaseadaemmodelodeotimizaçãolinearinteiroparasistemadepoligeraçãoéapresentadoporRubio-Mayaetal.(2011).Nessaproposta,asíntesedeequipamentosque irá definir o projeto do sistema de poligeração é realizada com base em consideraçõeseconômicaseambientaisapartirdeinformaçõesmédiasmensaissobreousodaenergia;nasegundaetapasãoincluídosvaloreshoráriosesistemasdearmazenamentotérmico.Osistemadepoligeraçãopropostoproduzsimultaneamenteeletricidade,aquecimento,resfriamentoeáguapotável.

Modelosbaseadoseminteligênciaaplicada

É importante destacar a presença das novas técnicas de soluçãomatemática para a seleção decomponentes em ciclos térmicos de cogeração. Os sistemas baseados em inteligência artificial,raciocíniobaseadoemcasosealgoritmosgenéticos,têmsidopropostosparasoluçãodeproblemasdesíntesedecomponentes.

Matellietal.(2009)propõemummodelobaseadoemsistemaespecialistaparaauxiliarasfasesdeprojeto conceitual e preliminar de centrais de cogeração baseadas na queima de gás natural,considerando o uso de eletricidade e vapor saturado como requisitos do projeto. Uma exposiçãomais voltada à aplicação do modelo é apresentada emMatelli et al. (2011), na qual a técnica deinteligênciaartificialempregadaédetalhadaeapresentadanocontextodeumaaplicação.

UmaapresentaçãomaisdetalhadadomodelopropostopodeseracessadaemMatelli (2008),noqual são desenvolvidos dois protótipos de sistemas computacionais inteligentes, baseados nastécnicas deSistemasEspecialistas (SE) eRaciocínioBaseado emCasos (RBC), respectivamente, eparaoqualoautorestabelecequeosprotótiposapresentamcaracterísticasvoltadasàexplicaçãoda

solução(noprotótipoSE)eaoaprendizadodasoluçãoapartirdaprópriaexperiência(noprotótipoRBC).AFigura8.6ilustraocontroledofluxodeinformaçõesdosprotótiposSEeRBC.

Figura8.6–Controledofluxodeinformaçõesdosprotótipos(a)SEe(b)RBCFonte:Matelli(2008).

ComocomentadoemMatelli(2008),ossistemaspropostosalcançamageraçãodemaisdeumasoluçãoparaummesmoconjuntoderequerimentosdeprojeto;nocasodoprotótipoSE,observa-sea habilidade de explicar e descrever diferentes soluções; no caso do protótipoRBC, observa-se ahabilidadedosistemaemaprenderapartirdesuaprópriaexperiência,istoé,retersoluçõesemumabase de casos para futura referência; em SE o que se deseja validar é a consistência da base deconhecimentoatravésdaavaliaçãodealgumassoluções,jáqueévirtualmenteimpossívelexaminartodasaspossíveissoluçõesgeradasporumSE,aopassoqueemRBCcadasoluçãogeradaapartirdarecuperaçãodeumcasodeveservalidadae,casosejasatisfatória,serretidanabasedecasosparausofuturo.

A proposta de Koch et al. (2007) para otimização de ciclos combinados emprega algoritmosevolucionários, o que inclui algoritmos genéticos e estratégias de evolução, dentre outros; osobjetivos do estudo são combinar o algoritmo evolucionário com um programa de simulação decentrais termelétricas comercial e otimizar as unidades de ciclo combinado do ponto de vistaeconômico e termodinâmico. Wang et al. (2010) estruturaram um modelo de cogeração paraatendimentodenecessidadeselétrica,aquecimentoeresfriamentoapartirdoempregodealgoritmosgenéticos. A função objetivo estabelecida pelos autores leva em conta aspectos econômicos,ambientaisetecnológicos,quesãoponderadosporpesosadmitidosiguaisparaefeitodaanálise.

Modelosdeavaliaçãocomparativadetecnologias

Aavaliaçãocomparativadetecnologiasparaoestabelecimentodeumrankingentretecnologias,emcenárioprospectivopautadoemincertezasdiversas,equedevecontemplarainclusãodenovasvertentes tecnológicas, está geralmente baseada na competição entre o conjunto de sistemasconsideradosedeveserfeitademodoapossibilitarasubstituiçãoentreelas,istoé,emprincípionãodevemexistirnichosoureservasparadeterminadastecnologias.Aliteraturatécnicaregistramodelosque se baseiam na relação retorno/risco do empreendimento, na avaliação ambiental em toda aexistênciadainstalaçãooucombasenacomparaçãodopotencialdecausarmaioroumenorimpactoambiental.

Modelodeportfólio

Aanálisebaseadaem“carteiradeações”,ouportfólio,quandoaplicadanocontextodaanálisedesistemasenergéticos,consisteemestabelecerumrankingdealternativas,deacordocomumcritériopreestabelecido, de modo a que se dê a conhecer a sequência e a capacidade desejável para ainstalaçãodecadaumadaspropostasdegeraçãodeenergia.Ateoriadeportfólioestárelacionadaàcombinaçãoderiscoebenefíciodeumconjuntodetecnologias;astécnicasdeseleçãodeportfóliobaseadas em teorias devariânciamédia foramdesenvolvidas nadécadade1950para permitir aosinvestidores criarem carteiras de investimentos ótimas (ou eficientes) com níveis de riscoconhecidos.

Para Awerbuch (2000), portfólios financeiros são largamente utilizados por investidores paragerenciar o risco e maximizar o desempenho sob uma variedade de resultados econômicosimprevisíveis,eassim,demodosimilar,éimportanteconceberageraçãoelétricanãoemtermosdo

custo de certa tecnologia hoje, mas em termos do seu custo de portfólio. Num certo momento,algumasalternativasdoportfóliopodemapresentar custoselevadosenquantooutraspodemcontarcomcustosmenores,eaindasobreaescaladetempo,acombinaçãoadequadadealternativasserveparaminimizarocustogeraldegeraçãorelativamenteaorisco.

De acordo comGhasemzadeh e Archer (2000), um projeto de seleção de portfólio seria umaatividadeperiódicaenvolvidanaseleçãodeumacarteiradeprojetosdemodoapermitirquesejamalcançadososobjetivosdeumaorganizaçãosemqueseexcedamosrecursosdisponíveis,ouaindaquesejamvioladasoutrasrestrições;algunsdostemasquepodemserassociadosaesseprocessosãoosobjetivosdasorganizaçõeseprioridades,benefíciosfinanceiroseintangíveis,disponibilidadederecursosenívelderiscodacarteiradeprojetos.

Traduzindonumalinguagemmenosformal,a teoriadoportfólioaplicadaàanálisedesistemasenergéticospoderiaseridentificadacomoummodelodeotimizaçãoquediscriminaascapacidades(e/ouquantidades)decadaumdoscomponentesaseremempregadosnoprojeto;paraisso,omodeloincorporaumafunçãoderisco,estimadadediversosmodos,masemespecialpormeiodevariânciaestatística,pelaqualseidentificameseapresentam,emordemdemaiorparamenoratratividade,asalternativas que possam concorrer para a entrada nos sistemas de expansão da geração.Xia et al.(2000)atribuemaMarkowitz,nadécadade1950,aproposiçãooriginaldoproblemadeseleçãodeportfólio;deacordocomtalartigo,oproblemadeportfólionocontextodevariânciamédiapodeserdescrito pelo modelo de otimização dado pela equação (8.20). O retorno esperado e o risco doportfóliosão,respectivamente,dadospelasequações(8.21)e(8.22),respectivamente.

(8.20)

sendo:

N:númerodealternativasconsideradas;xi:proporçãoinvestidanocomponentei;Ri:retornoesperadodocomponentei;σij:covariânciadosretornosesperadosnoscomponentesiej;W:fatordeaversãoaoriscodoinvestidor(0<w<1).

(8.21)

(8.22)

Quantomaiorovalordew,maioraaversãoao riscodo investidor;quandow=1,o investidorserá bastante conservador porque nesse caso apenas o risco do investimento (representado pela

segunda parcela da função objetivo) é considerado, e nenhuma atenção é dada aos retornos doinvestimento.Aocontrário,sew=0,oinvestidorébastanteagressivoparaperseguirosretornosdoinvestimento,ignorandoosriscosexistentes.

Os dados de entrada do problema de maximização identificado em (8.20) são os retornosesperadosde cada componente e amatriz devariância-covariânciados retornos esperados emumportfólio; Xia et al. (2000) propõem, para tanto, o emprego de três diferentes técnicas, sendo aprimeiradelasaobservaçãodosdadoshistóricos, a segundaaconsideraçãodemodelode índicesestatísticos para captar as influências domercado e a terceira o empregodemodelomulti-índicesparatambémconsiderarinfluênciasexternasaomercado.

Atítulodeilustração,oartigodeBalachandraeShekar(2001)apresentaumaanálisedeportfóliopela qual são comparadas diferentes tecnologias de iluminação, dispondo-se para tanto de dezdiferentes opções, considerando-se lâmpadas incandescente de bulbo (de 40W, 60W e 100W),fluorescentetubular(de18W,20W,36We40W)efluorescentecompacta(de9W,12We15W).Ummodelomistolinear-inteirofoidesenvolvidoparadefiniraseleçãoótimaentreasalternativas,considerando-se a viabilidade técnica e econômica. A viabilidade econômica foi incorporada aomodeloatravésdosretornosfinanceirosquepoderiamserobtidospelatrocamaiseficienteentreasalternativas;aviabilidadetécnicafoialcançadaemtermosdosníveisdeiluminaçãodemandadosedopotencialdedeterminadaalternativaprovertalníveldeiluminação.

WestnereMadlener(2010)apresentamummodelodeportfólioparaanalisaroperfilderetornoerisco de tecnologias selecionadas de cogeração em diferentes países.As tecnologias consideradasforam ciclos combinados com conjuntos a gás e com motores de combustão interna; quatromecanismosempregadosnosquatromaiorespaíseseuropeusforamanalisados:apolíticadetarifas(feed-in) da Alemanha, os certificados de eficiência energética da Itália, os benefícios através deredução de taxas no Reino Unido e a obrigação de compra de energia cogerada na França. Osresultadosdemonstraramqueosretornosemcogeraçãodiferemdemodosignificativodependendodopaís,domecanismoconsideradoedatecnologiadecogeração.Demodogeral,concluíramqueadiversificaçãoregionaldeinvestimentosemcogeraçãocomciclocombinadoporconjuntosagásémenossignificativonaperspectivaderetorno-riscoqueadiversificaçãoregionalporcogeraçãocommotoresdecombustãointerna.

O modelo de portfólio é utilizado por Arnesano et al. (2012) para analisar o planejamentoenergético italiano.OmodeloBlack-Litterman, que estende a teoria deMarkowitz, foi empregadopara analisar diversos cenários, nos quais fontes de energia renovável, sustentabilidade ambiental,custoereduçãoderiscossãoconsiderados.

Modelodeanálisedeciclodevida

Aanálisedeciclodevida(LCA,LifeCycleAnalysis)éhojeumadastécnicasmaisexploradasnocontextodeestudosambientais;deacordocomAzapagiceClift(1999a),aanálisedeciclodevidarepresentaumaaplicaçãodaanálisedesistemasaproblemasdegerenciamentoambiental.AzapagiceClift(1999b)definemaanálisedeciclodevidacomoummétodoparadefinirereduzirosproblemasambientais de umproduto, processo ou atividade pela identificação e quantificação da energia, damovimentaçãodemateriaisedescargasderesíduos,acessandoosimpactosdosresíduosnoambienteeavaliandooportunidadesparamelhoriasambientaissobretodooseuciclodevida.

AapresentaçãodomodeloLCAnocontextodaanálisedeestruturasempregadasparaavaliação

comparativa de tecnologias se explica pelo fato de contemplar toda a existência de um processo,produto ou atividade, desde a sua origem até sua disposição final (“from cradle to grave”, ou doberço à sepultura). Desse modo, uma vez definidos os contornos do sistema (onde inicia e ondeterminaaanálise),podem-secomparardiferentessoluçõesparaummesmoproblemasobamesmamétrica.OsprincipaisestágiosdaLCAsãoregidospelanormaISO1404069(Azapagic;Clift,1995):

–definiçãoeescopodemetas:noqualoscontornosdosistemaaseranalisadosãodefinidos;– inventáriodousodeenergiaemateriais, bemcomoemissõese resíduos sólidos, conhecidos

coletivamentecomo“descargas”;–avaliaçãode impactos,quecompreendeaclassificação,pelaqualasdescargassãoagregadas

em um número menor de impactos ambientais; a caracterização, pela qual os impactosambientais potenciais são quantificados; a avaliação, pela qual os impactos ambientais sãoreduzidosaumasómedidadedesempenhoambiental.

–interpretação (ouavaliaçãodemelhorias)dasatividadesnecessáriasparareduziros impactosambientais.

AFigura8.7ilustraofluxodeelementospertinentesaociclodevidadeumproduto;enquantoaengenharia de processos encontra-se relacionada ao contorno 1, a LCA considera a cadeia desuprimentodemateriaiseenergia;fluxosqueentramnosistema,neleexistemoudeixamosistemaincluem recursos e emissões de materiais e energia para o ar, água e terra, sendo comumentereferidoscomodescargasambientaiseque resultamdeatividadesdeextraçãodematériasprimas,transporte,produção,usoedisposiçãoderesíduosdeumprodutoouprocesso.Osefeitospotenciaisde descargas ambientais normalmente englobam aquecimento global, acidificação, destruição dacamadadeozônio,dentreoutros.

Figura8.7–EstágiosdociclodevidadeumprodutoNota:T=transporte;contorno1=análisedeprocesso;contorno2=avaliaçãodavidadoproduto.Fonte:Azapagic;Clift(1995).

Apresentam-se, dessa forma, algumas propostas alternativas que se encontram na literatura;algunstrabalhosapresentampropostavoltadaparaumaabordagemdeprogramaçãomatemática,sejaela linear (Azapagic; Clift, 1995) ou um modelo mais completo, envolvendo programaçãomultiobjetivoparaotimizaçãodoconflitoentreosobjetivoseconômicoeambiental(Azapagic;Clift,1999a,b),commodelomulticritérioparaauxiliaratomadadedecisão.

Otoma et al. (1997) desenvolvem análise de ciclo de vida para uma central termelétrica queincinera resíduos sólidos, decorrentes de coleta urbana, comparativamente à geração térmicaconvencional, com avaliação energética e de balanço de CO2. Do ponto de vista energético, osresultados alcançados com ométodo LCA permitiram verificar que quando a geração de energiacomresíduosólidourbanoéconcebidacomoummeioderecuperaçãotérmica,apotênciageradaé78,7 vezes superior àquela necessária para uma central de geração, demonstrando que essatecnologiaéaltamenteefetivaparaarecuperaçãotérmica;quandoageraçãodeenergiacomresíduosólido urbano é concebida comoummeio de produção de energia, a potência gerada é 9,5 vezessuperior àquelanecessáriapara a construçãoeoperaçãodaunidadede incineração,demonstrandoqueessatecnologiaéefetivaparaaproduçãodeenergia.

Do ponto de vista ambiental, a análise revelou que quando a geração de energia com resíduosólidourbanoéconcebidacomoummeioderecuperaçãotérmica,aemissãodeCO2éreduzidaem45,3vezesàquelarequeridaporumacentraldegeração,oqueatornaefetivanaformadereduçãodasemissõesdeCO2;quandoageraçãodeenergiacomresíduosólidourbanoéconcebidacomoum

meio de produção de energia, a emissão deCO2 é reduzida em4,1 vezes àquela requerida para aconstrução e operação da unidade de incineração, o que a torna efetiva na forma de redução dasemissõesdeCO2.Como resultadosadicionais, revelaramqueobalançodeenergiadeumacentraltérmica com resíduos sólido urbano é aproximadamente o mesmo de uma central térmicaconvencionalaóleoouagáse,dessemodo,mesmoquandoaeficiênciadegeraçãoébaixa,acentraldegeraçãocomresíduo sólidourbanoéuma formaefetivade recuperação térmicae reduçãodasemissõesdeCO2.

Varunetal. (2009)demonstramatravésdaanáliseLCAqueasemissõesdeCO2 decorrentes defontesrenováveisdeenergianãosãonulas,comoégeralmenteassumidoquandoseavaliamcréditosdecarbono,emboranasmesmasbasesseusvaloressejamsignificativamentemenores–enquantoumsistemaconvencionaldegeraçãodeenergiaacarvãoemite975,3g/kWh,umsistemadegeraçãodeenergiabaseadoembiomassaemitiriaCO2umvalornafaixaentre35e178g/kWh.

A proposta deCarvalho et al. (2012) de desenvolver umamodelagem que incorpora a análiseLCAàanálisetermoeconômicaemumsistemadecogeraçãoqueproduzeletricidade,aquecimentoeresfriamento e em um sistema convencional de geração de energia a carvão permitiu aos autoresobservaruma redução significativanaemissãodeCO2 na atmosferapara a tecnologiadegeraçãocombinada.

Modelodepenalidadeexergética

Emboraexistamdiversaspropostasmetodológicasatualmenteemdiscussãoacercadocálculodasexternalidades,aquelasdebaseexergéticarepresentamumavançocomparativo,umavezquelevamem conta as perdas termodinâmicas existentes no processo de conversão da energia. Além disso,observa-sequeháuma tendênciaemtaxaraemissãodeCO2 combasenocombustívelempregadocomoformadeinternalizarocustodoCO2emitidonoambiente;porém,comataxasendoaplicadadiretamente no combustível empregado, não é analisada a eficiência das centrais de geração deenergia.

Paraqueascentraistérmicassejammaiseficientesfaz-senecessárioqueaeficiênciadegeraçãotambémentrenocálculodataxa;dessaforma,seriampunidasnãoapenaspelasimplesutilizaçãodeum determinado combustível, mas também seria considerado o quão eficiente as mesmas são,minimizando,dessaforma,oconsumodecombustíveleaenergiatérmicaquedelasérejeitada.

Para Traverso et al. (2003), há duas abordagens principais pelas quais é possível lidar com aquestãodoaquecimentoglobal:alinhapolíticaealinhaeconômica;aprimeira“força”,asegunda“sugere”efazquesistemasenergéticosdebaixaemissãodeCO2setornemmaiscompetitivosqueassoluçõesconvencionais.

Apossibilidade de utilização do conceito de exergia destruída no sistema e a exergia rejeitadaparaomeioambienteédiscutidoporSantarelli(1998)eSantarellietal.(1999),nosquaisseencontraoconceitoassociadoàineficiênciadaunidade,sendoportaismotivosaquiapresentadosospontosprincipais do cálculo da taxa de emissão de carbono (CET, Carbon Exergy Tax) proposto pelosmesmos.OcálculodaCETébaseadonoconceitodautilizaçãoeficientedos recursosexergéticosligados às ineficiências termodinâmicas da unidade. A proposta da aplicação da Penalidade porIneficiência (Pe) e o Índice de Emissão deCO2 (I*CO2) tem como objetivo favorecer a redução deineficiênciasdosistemadegeraçãodeenergia(Massardoetal.,2003).

SobreoconceitodeexergiaedoCETcomoferramentadepolíticaenergéticaháoutropontoaser observado. Como a emissão de CO2 está associada à eficiência termodinâmica da unidade, amesma pode ser utilizada como meio de promoção de projetos de alta eficiência de unidadesconvencionais e a disseminaçãode tecnologias avançadas, que enfrentamdificuldadesnomercadodevidoaosaltosinvestimentosnecessários.Emumsistemadegeraçãodeenergia,podeseraplicadoobalançoeconômicoexpressonaequação8.23.

CF+Z=CP+CBP (8.23)

Com a inclusão dos custos devido às emissões de CO2, a equação (8.23) pode ser alteradosegundoaequação(8.24).

CF+Z=CCO2=CP+CBP (8.24)

OobjetivodoprocedimentoanalíticoparaadeterminaçãodoCETéencontrarocustodeemissãodeCO2 com base em considerações termoeconômicas (Borchiellini et al., 2000a;Massardo et al.,2000), em conceitos termodinâmicos e também em custos econômicos dos combustíveisdeterminados pelo mercado. O custo da emissão está diretamente relacionado às ineficiências deoperaçãodaunidadedegeração,queéresponsávelporumaumentonasemissõesdepoluentes.

OselementosquecompõemocustodaemissãodeCO2sãodefinidosnasequência:

–Custodaexergiadestruída:ocustodaexergiadestruídaédeterminadocombasenaequação(8.25),naqualcirr,iéapenalidadedeineficiênciaunitáriadeumairreversibilidadeproduzidapor um componente i da unidade e é calculada pelo produto do custo econômico docombustíveldosistemaedocustoexergéticounitário(k*,naexpressãopropostaporLozanoeValero,1993)dofluxodeentradaexergéticodomesmocomponente.

(8.25)

comCirr =CFk*e,i, sendok* os fluxos determinados a partir domodelo doMétodo doCustoExergético(Lozano,1993).

–Custo da exergia residual: esse termo está relacionado à exergia rejeitada do sistema para omeio ambiente contendo as emissões poluentes. Este termo é citado em Santarelli (1998) eSantarelli et al. (1999). O índice de ineficiência cw,i está relacionado ao custo da exergiaresidual,emoutrostermos,àexergiadosgasesdeexaustão,propostoporBejanetal.(1996)eKotas (1985). Este custo é considerado umproduto em potencial que é rejeitado, conformeequações(8.26)e(8.27).

(8.26)

(8.27)

Ocustodaexergiadestruídaeocustodaexergiaresidualdacentraldecogeraçãodeterminamo conceito de Penalidade por Ineficiência (Pe). As equações (8.28) e (8.29) definem esteconceito.

(8.28)

(8.29)

–ÍndicedeemissãodoCO2:representaomontantedeCO2emitidopelaunidadedegeraçãoeestárelacionado com sua produção de exergia. Esse índice é calculado comparando-se aefetividadenomeioambientecomaproduçãoexergéticaatravésdaequação(8.30).

(8.30)

naqualI*céaimposiçãodeumnúmeronão-dimensional,tendocomoreferênciaoÍndicedeEmissãodoCO2(I0)emkgCO2/kWh.Aexpressãoacimapodeserdesenvolvida,resultandonaexpressão(8.31).

(8.31)

ArelaçãodeI*c representaaemissãodeCO2e tambéma ineficienteutilizaçãodas fontesdeenergia,essassendoexpressaspor(Birr+Bw);quantomaiorovalordeI*c,maioro impactoambiental na central de cogeração devido ao CO2 emitido. Encontrada a penalidade porineficiênciaeoíndicedeemissãodeCO2,determina-seocustodeemissãodeCO2eoCET.Com base nas relações anteriormente apresentadas, podem ser obtidos os índicestermoeconômicos pretendidos para a análise de penalidade por emissão de CO2 ponderadopelaineficiênciatecnológicaedasfontesenergéticas.

–CálculodoCustodeEmissãodeCO2: o índicedeemissãodeCO2 é usado juntamente comapenalidadedeineficiênciaafimdesedeterminarataxaimpostanaunidadedevidoàemissãodeCO2,conformeequação(8.32).

CCO2=I*CΠε=I*CfCcFk*L(Birr+BW)=I*CfCcFk*

LBL (8.32)

Aequação(8.32)édesenvolvidaemBorchiellinietal.(2000a,b),resultandonaequação(8.33).

(8.33)

Paraumaanálisepreliminar,daequação(8.33)podeserextraídaaequação(8.34).

(8.34)

Apartirdaequação(8.34)podemserfeitasasseguintesconsiderações:

–relaçãocomaeficiênciadaunidade:seovalordeBirr+Bwaumenta,ocustodeemissãodoCO2

aumentará;seofluxodemassadecombustível,eBirr+Bwéconstante,aumentandoaproduçãode energia, o custode emissãodoCO2 diminui porque, nesse caso, a eficiência daunidadeaumenta;

–relaçãocomaqualidadedocombustível:seaporcentagemdemassadecarbononocombustívelaumenta,ocustoaumenta;seoPCIaumenta,ocustodiminui.

–Cálculo doCET (TaxadeEmissãodeCarbono):O conceito deCET é o custo resultante portoneladaeCO2emitido.Aequação(8.35)determinaessevalor:

(8.35)

ApósocálculodoCET,outroconceitopodeseraplicadoafimdeseverificaroefeitodoCETno custo de produção das energias elétrica e térmica numa central de cogeração. A esseconceitoestáassociadooaumentodocustodeproduçãodeenergiaDce1ouDctdevidoaoCET(equações8.36e8.37).

(8.36)

(8.37)

Modelodeeficiênciaecológica

Aproposiçãodeum índicedeeficiênciaecológicadecentrais termelétricasporCardueBaica(1999a) se baseou no fato de uma instalação com alta eficiência (com cogeração e/ou ciclocombinado)evaloresdeemissõesporunidadedeproduçãoqueexcedemoslimitesimpostospoderser melhor, do ponto de vista ambiental, que outra instalação (um ciclo a vapor com turbina decondensação,porexemplo)queatendaaoslimitesdeemissõesporunidadedeprodução,porémcomeficiência menor. Assim, os autores decidiram estabelecer umametodologia energética-ecológicaque leva emcontaos efeitosnegativosdas emissões sobreosorganismosvivos,que sebaseianoconteúdodeCO2equivalente,calculadopelaequação(8.38),comconcentraçõesemmg/m3oukg/m3.

(CO2)e=(CO2)+700(SO2)+1000(NOx) (8.38)

Dopontodevistaecológico,umcombustívelémelhorquandoapresentaamínimaquantidadedeCO2equivalentecorrespondenteàunidadedeenergiaobtidapelasuaqueima.Osautoresdiscutemaformadecálculodasconcentraçõesdastrêsespéciesquímicasconsideradas,inclusivedoNOx,queagrega dificuldades por depender de outros fatores que não apenas o processo de combustão. Aeficiência energética-ecológica ε (adimensional) é calculada pela relação expressa pela equação(8.39)eoindicadordepoluiçãoΠg(kg/MJ)pelaequação(8.40),nasquaisoparâmetroQiéopodercalorífico inferior do combustível (emMJ/kg) e (CO2)e é a concentraçãodeCO2 equivalente (emkg/kg). Posteriormente, em Cardu e Baica (1999b), os autores apresentaram uma metodologiavarianteparaomesmoconceito.

ε=ηQi/[ηQi+2(CO2)e] (8.39) Πg=(CO2)e/Qi (8.40)

Lora e Salomon (2005) utilizaram o conceito para estimar a eficiência ecológica de centraistérmicas brasileiras, adequando o equacionamento às normas nacionais segundo resoluções doConselho Nacional de Meio Ambiente (Conama) para considerar material particulado (PM,particulatematerial);amodificaçãodaequação(8.38)resultounaequação(8.41).

(CO2)e=(CO2)+80(SOx)+50(NOx)+67(PM) (8.41)

Coronadoetal.(2009)estenderamoconceitodeeficiênciaecológicaparaousodebiodieselemmotoresdecombustãointerna,enquantoBoloyetal.(2011)ofizeramparaogásdesínteseobtidoemumgaseificadordowndraft.

EpílogodoCapítulo8

Nopresentecapítulofoiapresentadaumarevisãodediferentesmodelosqueseprestamaauxiliaratomadadedecisãoacercadopotencialdetecnologiasprospectivas,bemcomonoprocessodesua

incorporação às estruturas de projeto, levando em conta o tipo de tecnologia, sua capacidade e onúmero de equipamentos a serem contemplados no projeto. Foram também identificadas asabordagensmetodológicasquepermitemacomparaçãoentretecnologias,levandoemcontaaspectostecnológicos,ambientais,econômicosederisco.

66“Cenáriossãohistóriassobreomodocomoomundodeverásecomportaramanhã,históriasquepodemnosajudara reconhecereadaptar-nos aos aspectos demudanças do nosso ambiente presente.O propósito dos cenários émudar nossa visão da realidade –traze-lamaispróximadarealidadecomoelaé,ecomoarealidadeestaráporser”(Schwartz,1991,p.9);“Cenáriopodeserdefinidocomoumdesenvolvimentoconsistentedevariáveisquenãoestãosobocontroledodecisor”(Larsson,1993,p.517).

67Correspondeaoaportemonetárionecessárioparaadicionarumaunidadedepotência($/kW).68Análisederegressãomúltipladedados,comaferiçãoporcoeficientedecorrelaçãoeestatísticaspadrão(StudentouQui-Quadrado).69Recomenda-seapesquisananormabrasileiraNBR-ISO14040.AvaliaçãodoCiclodeVida–PrincípioseEstrutura.

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APÊNDICES

APÊNDICE1CICLOSTÉRMICOSDEGERAÇÃO

DEENERGIA

Osciclostérmicosdegeraçãodeenergiapodemserclassificadosem:

Ciclostérmicosconvencionais

Ciclostérmicosavapor

Compostosbasicamenteporcaldeira,turbinasavapor(decondensaçãopura,contrapressãopura,condensaçãocomextraçõesoucontrapressãocomextrações)ebombas,osciclostérmicosavaporpodem ser de geração termelétrica pura ou de cogeração; no primeiro caso, um condensadorassociadoatorresderesfriamento(secasouúmidas)rejeitaapotênciatérmicadocombustívelnãoconvertidaempotênciadeeixona turbinana formade fluxo térmico (FiguraA1.1a), enquantonociclo térmico de cogeração esse mesmo fluxo térmico é empregado em algum processo (FiguraA1.1b).

FiguraA1.1–Esquemabásicodecicloavapor:(a)geraçãotermelétricae(b)cogeração

Acaldeirapodegerarvapornoestadotermodinâmicosubcríticoousupercrítico,relativamenteàcondiçãocríticadofluidoutilizado(nocasodoempregodevapor,ascondiçõescríticassão22MPae374,15°C).Ocombustívelempregadopodesersólido,líquidoougasoso.

Turbinas a vapor de condensação pura são empregadas em ciclos termelétricos para que seaproveitetodaaquedadeentalpiadesdeopontodeentradaatéopontodesaídadaturbinaavapor,queévacuométrica(daordemde0,005MPaetítulosuperiora90%);equipamentosdecondensaçãocomextraçõeséutilizadaparareaquecimentodofluidotérmicoempregado,demodoaaumentaraeficiênciadaconversãoenergética.Turbinasdecontrapressãopuraoucomextrações,ouaindaasdecondensação com extrações em certas situações, são empregadas para destinar parte do vapor aprocessosqueoutilizamcomtemperaturassuperioresàcondiçãodesaturação(paracertoníveldepressão).

Ciclostérmicosagásecommotoresdecombustãointerna

Conjuntosagássãounidadescompactas,comcompressoreturbinaagás,vinculadosnomesmoeixo, com câmara de combustão intermediária (em torre, anulares ou em cânulas) para queimarcombustíveislíquidosougasososapartirdofornecimentodearpelocompressor.Taissistemastêmalcançadorápidapenetraçãonomercadodegeraçãodeenergiapelaelevadacapacidadedegeração,elevadaconfiabilidadeoperacionalerapideznapartida.Suaeficiência térmicapodesermelhoradapormeiodeprocessosderefrigeraçãointermediáriadoarnacompressão(inter-cooling),poradiçãoderegenerador(trocadordecalorapósasaídadosgases,pré-aquecendooardeentradanacâmarade combustão) e reaquecimento intermediário dos gases na expansão, alternativas que sãoapresentadasnaFiguraA1.2.

FiguraA1.2–conjuntoagáscomresfriamentointermediário,reaquecimentoeregeneração

Osconjuntosagáspodemqueimarcombustíveis líquidosougasososepodemser construídospara geração de energia (unidades estacionárias ou heavy duty) ou propulsão, com conceitosligeiramente distintos em termos de projeto (como na definição da câmara de combustão, porexemplo)eoperação(comrespeitoàvariaçãoderotação,porexemplo).Conjuntosagásvoltadosàpropulsão podem ser utilizados na geração de energia após sua vida útil em aeronaves (turbinasaeroderivativas).Astemperaturasalcançadaspelosgasesdeexaustãoestãonafaixaentre400e650°C,etalfluxodegasespodeserenviadoacaldeirasderecuperaçãodecalor(comousemqueimadorsuplementar)paraaproduçãodevaporsaturadoousuperaquecido.

Motoresdecombustãointerna,sejadatecnologiaDieselquantodatecnologiaOtto(ouBeaudeRochas,comoaelesereferemosfranceses)podemserempregadosemsituaçõesdeatendimentodenecessidades de energia próximas daquelas supridas por conjuntos a gás. A distinção se encontraespecialmentenacaracterísticaenergéticadavazãodegasesdeexaustão,quenocasodosmotoresdecombustão interna é menor que nos conjuntos a gás, além de o limite de temperatura seja

ligeiramente inferior. De igual modo, os gases de exaustão podem ser enviados a caldeiras derecuperaçãodecalor.AFiguraA1.3ilustraosprincipaiscomponentesenergéticospresentesemummotordecombustãointerna.

FiguraA1.3–balançodeenergiaemummotordecombustãointernaFonte:Diasetal.(2006).

Ciclostérmicoscombinados

Ciclocombinadoéumtermogenéricopeloqualseassociamduasoumaisformasdegeraçãodeenergia com aproveitamento em cascata dos produtos da transformação energética. Constitui umaforma de aproveitamento da energia remanescente de um ciclo térmico em outro ciclo térmico,processo conhecido como “cascata energética”. Os ciclos combinados mais comuns são os queempregamconjuntosagásassociadosacaldeirasderecuperaçãodecaloreturbinasavapor(ciclocombinado gás/vapor), mas não há qualquer objeção a se empregar, por exemplo, motores decombustãointernanolugardeconjuntosagás.AFiguraA1.4ilustraumciclocombinadogás/vapor.

FiguraA1.4–ciclocombinadogás/vapor

Ciclostérmicosavançados

Ciclostérmicosagáscominjeçãodevapor:conjuntosagáscominjeçãodevapornacâmaradecombustão (STIG, Steam Injection Gas Turbine) representam uma alternativa eficiente para oincremento da potência gerada em um ciclo. A injeção de vapor em turbinas a gás tem sidoempregadademodoaaumentaraeficiênciadosciclosemcargasparciais,umavezqueovaporpodedeslocarademandadecombustívelnacâmaradecombustão.

EsseciclofoioriginalmentedenominadocicloCheng,emfacedequemoconcebeu(Joshi;Lee,1996), sendo apenas posteriormente referido como STIG. Conjuntos a gás com injeção de vaporrepresentamumaalternativaeficienteparaoincrementodofluxodemassaedapotênciageradaemumciclo,alémdesignificativamelhorianasemissõesdeNOx.AFiguraA1.5ilustraosistemaSTIG.

FiguraA1.5–sistemaSTIG

Ciclotérmicoagáscominjeçãodevaporegaseificaçãointegrada:associadoàqueimadecarvãogaseificado, o sistema anteriormente apresentado é assinalado como CIC/STIG (Coal-IntegratedGasifier/SteamInjectedGasTurbine)enquantoasiglaBIG/STIG(Biomass-IntegratedGasifier/SteamInjected Gas Turbine) se refere à gaseificação de biomassa. A Figura A1.6 ilustra a unidadeBIG/STIG.

FiguraA1.6–UnidadeBIG/STIG

Ciclos combinados de gaseificação integrada: os sistemas integrados de gaseificação e ciclocombinado(IGCC, IntegratedGasificationCombinedCycle) representamaconjugaçãodediversastecnologias de conversão de energia; unidades de gaseificação de carvão mineral ou biomassaproduzemgasescombustíveisqueacionamconjuntosagás,estesproduzindopotênciadeeixo.

Osgases exaustadosdas turbinas agásgeramvapordeáguaemumacaldeirade recuperação,comousemqueimaauxiliar,acionandoumaturbinaavapor,queporsuaveztambémgeraenergiaelétrica; parcela do vapor gerado pode ser usada como agente de gaseificação ou comovapor deprocessoemumcomplexoindustrial.AFiguraA1.7ilustraosistemaIGCC.

FiguraA1.7–SistemahíbridoIGCCcomcaldeiradeleitofluidizadopressurizado

Conjuntoagásdearúmido(HAT,HumidAirTurbine):sãovariaçõesdociclobásicodesistemasevaporativos, e a história desse ciclo é longa, ainda que venha sendo considerado apenas maisrecentemente.ConformerelataHeppenstall(1998),osciclosHATsãopróximosdocicloSTIG:nesteúltimo,vaporégeradonumacaldeirade recuperação, aopassoque,nocicloHAT,água líquidaéinjetadano fluxodearque saidocompressorcom temperaturaelevadapela termodinâmicadesseprocesso, resultandonamisturadearúmidodecorrentedesuaevaporação,equeéaquecidapelosgasesdeescapedaturbina,emumtrocadordecalor,antesdeentrarnacâmaradecombustão(FiguraA1.8).

FiguraA1.8–Conjuntoagásdearúmido(HAT)

Conjunto a gás com recuperação química (CRGT, Chemically Recuperated Gas Turbine):constituemumdosconceitosdeciclosavançadosquecontamcomgrandeinteresseemsuaavaliação.Dopontodevistaoperacional,gásnaturalémisturadoaovaporgeradoelevadoparaoreformador,ondeamisturaéaquecidapelosgasesdeexaustãodoconjuntoagáseumareaçãoexotérmicaocorreentreometanoeovapor,conformeFiguraA1.9.

UmaspectointeressanteapresentadoporAbdallaheHarvey(2001)dizrespeitoànecessidadedareaçãoexotérmicaemquestãonecessitardapresençadeníquelcomocatalisador,tendoporresultadoCO, CO2, H2, vapor excedente e metano não convertido. Conforme et al. (1998), a completaconversãodometanopodeaumentaropodercaloríficoefetivodocombustívelematé30%;dessaforma, a mistura vapor/metano70 absorve calor tanto termicamente (quando é aquecido) quantoquimicamente (pela reação endotérmica), resultando em um potencial de recuperação energéticasuperioraoprocedimentoconvencionalparatanto.

FiguraA1.9–Conjuntoagáscomrecuperaçãoquímica(CRGT)

ATabelaA1.1sumarizaacondiçãodedesenvolvimentodealgunsdosciclosapresentados.

TabelaA1.1–Sumáriodastecnologiasdegeraçãocomturbinasagás

sig la definição componentes aspectosprincipais mercadoecondiçãoatual

STIGconjuntoagáscominjeçãodevapor

conjuntoagás(emgeralaeroderivativo)ecaldeiraderecuperação

ocalorretiradodoconjuntoagásérecuperadoparaproduzirvapordiretamenteinjetadonacâmaradecombustão.ComparadocomCTGT,produzmenorpotênciaemenoreficiência,mastambémtemmenorcustoparaunidadesdemédioporte,comaplicaçõesemcargaintermediária.

comercialmentedisponívelparaaplicaçõesdecogeraçãocomcargasintermediárias.AturbinaLM5000-STIGapresenta51,16MW,eficiênciade43,8%ecustoespecíficode272$/kW.

HAT conjuntoagáscomarúmido

turbinaagás,regeneradoresaturador

ocalorcontidonosgasesdeexaustãoérecuperadoparasaturarereaqueceroarnasaídadocompressor.ComparadocomCCGTeSTIG,apresentacusto,capacidadeeeficiênciaintermediáriaentreessesciclos,comaplicaçõesemcargaintermediáriaedebase.

umamáquinadisponívelemescaladedemonstração,desenvolvidapelaWestinghouse.

ICADGT

conjuntoagásaeroderivativacomresfriamentointermediário

conjuntoagásaeroderivativomodificadoecompressorcomresfriamentointermediário

umresfriadorintermediárioéadicionadoàsaídadocompressordebaixapressão.Comparadocomturbinasagásaeroderivativas,menorconsumoespecíficodepotênciadocompressoremenorfluxodearpararesfriamentodear.

OprincipalpromotordesseprojetoéoprojetoCAGT1paraaplicaçõesemcargaintermediária.

CRGTconjuntoagásquimicamenterecuperada

conjuntoagás,caldeiraderecuperação,reformadordemetanoevapor

ocaloreliminadoérecuperadoparaproduzirvaporque,aoinvésdesersuperaquecidonumcicloSTIG,émisturadoaometanoparafacultarumareaçãoaltamenteendotérmicanoreformador.Vantagem:NOxreduzidoa1-3ppmeeficiênciachegaa50%.

OprincipalpromotordesseprojetoéaCaliforniaEnergyCommission.Aplicaçõesdecargaintermediáriaemcentraisdemédiacarga.SeumercadodependedasfuturasregulamentaçõesdeNOx.

Nota:OtextofalaemCAGT,maspodeserCCGTouCRGT.Fonte:AbdallaheHarvey(2001).70Ataxatípicavapor/metanoestánafaixaentre3e5(molH20/molCH4)parareformadoresdevaporindustriais,largamenteutilizadosparaproduçãodehidrogênioparasíntesedeamôniaoumetanol(Carcascietal.,1998).

APÊNDICE2PROCESSOSDECONVERSÃOQUÍMICA

Ao longo do texto principal foram citados alguns processos de conversão química utilizadosregularmentepela indústriaquímicanoprocessamentodecombustíveis.Nesteapêndiceprocura-setratardeformasucinta,porémconclusiva,osprincipaisaspectosqueenvolvemtaisprocessos:

Tecnologiasgás-para-gás(GTG,Gas-To-GasTechnologies)

Reformaavapor

De acordo com Ogden (2001), a reforma catalítica de vapor do metano é um processo bemestabelecido e comercialmente disponível para a produção de hidrogênio. A reação de reformaexpressapor:

CH2+H2O↔O+3H2

Dh=+206,16kJ/molCH4

éendotérmicaerequerinjeçãoexternadecalor.Aoperaçãoeconômicadoreatordereformaéfavorecidaquandoseencontracompressãoentre0,3MPae2,5MPaetemperaturasentre700°Ca850°C.A fonteexternadecalor,necessáriaparaa reação,éobtidapelaqueimade fraçõesdegásnaturalutilizadocomomatériaprima(até25%)ouaqueimadegasesresiduais,comoogásderivadodapurgadosistemadepurificaçãodohidrogênio.Atrocatérmicadosreagenteséobtidadeformaindireta pelo uso de trocadores de calor. O metano e vapor reagem em tubos preenchidos comcatalisador. Tipicamente, a taxa vapor/carbono (em massa) é cerca de 3:1 ou mais, para evitar acoqueificaçãodocatalisador(comtaxasmaisbaixasdarazãovapor/carbono,carbonosólidopodeserproduzidoemreaçõessecundárias).

Apósareforma,ogásdesínteseresultanteéenviadoaumoumaisreatoresdetroca(reatoresdeshift),nosquaisaproduçãodehidrogênioéaumentadaatravésdareaçãodetrocaágua/gás:

CO+H2O↔CO2+H2

Dh=+41,15kJ/molCO

queconverteCOemH2.Essareaçãoéfavorecidaportemperaturasmenoresque600°Cepodeocorrercomtemperaturastãobaixasquanto200°Cdesdequehajacatalisadorsuficientementeativo.OgásquesaidoreatordeshiftcontémpreponderantementeH2(70%a80%),mastambémCO2,CH4,H2OepequenasfraçõesdeCO.

Paraproduçãodehidrogênio,areaçãodeshiftéfrequentementerealizadaemdoisestágios–umdealtatemperatura,entre350°Ce475°C,noqualocorreamaiorpartedareação,seguidodeoutrodebaixatemperatura,entre200°Ce250°C,quereduzaconcentraçãodeCOapequenapercentagememvolume;ohidrogênioéentãopurificado.

SegundoOgden (2001), outra tecnologia promissora para a reforma a vapor é o emprego dereator demembrana, no qual a reforma a vapor, a troca água/gás e a purificação do hidrogênioocorrem todas ao mesmo tempo em um só reator. Metano e vapor são enviados a um reatorpressurizadopreenchidopelocatalisador.Umdosladosdoreatorécompostoporumamembranadepaládioqueéseletivamentepermeávelaohidrogênio.Conformeocorreareaçãodereformaavapor,ohidrogêniosedeslocaao longodamembranapordiferençadepressão.Dependendodapressão,temperatura e comprimento do reator, ometano pode ser completamente convertido e hidrogêniopuro é produzido. Quando o hidrogênio puro é removido, a temperatura de operação pode serreduzida,oquereduzoscustoscommateriais.

AFiguraA2.1ilustraumreatordemembrana,sendoapresentadasacâmaradereação(A)ondeentrammetanoeágua(nacondiçãodevapor),amembranadepaládio(C),oinício(D)efinal(B)dotubodeaçoquecontémamembrana,porondeseextraiohidrogênio.

FiguraA2.1–esquemadereatordemembranaeestruturadocatalisadordepaládioFonte:Disponívelem:<http://www.wpi.edu/News/Transformations/2005Spring/investigations.html.>Acessoem:30mar.2008.

Oxidaçãoparcialdevapor

Outrométodo comercialmente disponível de produzir hidrogênio a partir de hidrocarbonetos,segundo Ogden (2001), é o processo de oxidação parcial de vapor, no qual metano ou outrohidrocarbonetoéoxidadoparaproduzirmonóxidodecarbonoehidrogêniosegundoareação:

CH4+0,5H2O→CO+2H2 Dh0=+36,00kJ/molCH4

Areaçãoéexotérmicaenãonecessitadetrocadoresdecalorindiretos.Catalisadortambémnãoénecessário devido à elevada temperatura. Contudo, o hidrogênio obtido por mol de metanofornecido,assimcomoaeficiênciadeconversão,podesersignificativamentemelhoradopelousodecatalisador.Umaunidadedeproduçãodehidrogênioqueutilize tal tecnologia incluium reatordeoxidação parcial, seguido de um reator de shift e sistema de purificação do hidrogênio. Grandessistemasdeoxidaçãoparcialincorporamunidadedeproduçãodeoxigênio,umavezqueaoperaçãocomoxigêniopuroreduzadimensãoeoscustosdosreatores.

Reformaautotérmica

Areformaautotérmica,segundoOgden(2001),combinaoquehádemelhordareformaavapore da oxidação parcial. Muitas empresas estão desenvolvendo reformadores autotérmicos paraconverterhidrocarbonetosemhidrogênioparausoemcélulascombustíveis.

No reformador autotérmico, um hidrocarboneto (metano ou combustível líquido) reage comvaporearparaproduzirumgásdesíntesericoemhidrogênio.Peloladodometano:

CH4+H2O↔CO+3H2 Dh=+206,16kJ/molCH4

CH4+0,5H2O→CO+2H2 Dh0=+36,00kJ/molCH4

Comamisturaadequadadocombustível,arevapor,areaçãodeoxidaçãoparcialfornecetodoocalornecessárioparaa reaçãode reformacatalíticadevapor.Diversamenteda reformaavapor,aautotérmicanãorequerfonteexternadecalornemtrocadoresdecalorindiretos,fazendodamesmaumprocessomaissimples,compactoedemenorcustodeinvestimento.Comonareformaavaporena oxidação parcial, há necessidade do empregode reator de shift e do estágio de purificação dohidrogênio.AFiguraA2.2ilustraoprocessodereformaautotérmica.

FiguraA2.2–esquemadereformaautotérmica

Tecnologiaslíquido-para-gás(LTG,Liquid-To-GasTechnologies)

Pré-reforma

De acordo com Lopes (2005), a pré-reforma adiabática é um processo bem estabelecido naproduçãomodernadegásdesínteseehidrogênioeimplicabenefíciosoperacionaiseeconômicos.Pormeiodapré-reformaavaporadiabática,hidrocarbonetospesadossãoconvertidosparaproduzirmetano,hidrogênioeóxidosdecarbonosobbaixastemperaturasemintervalosquevariamde350°Ca550°C,pressãode1,5MPaa3,5MPaerazãomolardeH2O/Cnaalimentaçãode1a5.Oprodutogasoso,ricoemmetano,podeserreaquecidoatemperaturasiguaisousuperioresa650°Csemriscode craqueamento térmico. A alimentação é previamente dessulfurizada emisturada com vapor doprocessoparaserenviadaaopré-reformador,ondeéconduzidaatravésdeumleitocatalíticonoqualoshidrocarbonetospesadossãocompletamenteconvertidos,deacordocomaseguintereação:

–pré-reforma:

seguidadasreaçõesdemetanaçãoeshift:

–reaçãodemetanação: CO+3H2O↔CH4+H2O

–reaçãodeshift: CO+3H2O↔CH4+H2O

Tecnologiasgás-para-líquido(GTL,Gas-To-LiquidTechnologies)

Visãogeraldoprocesso

DeacordocomKeshaveBasu(2007),combustíveisobtidospelatecnologiaGTLsãoproduzidosapartirdegásnatural,carvãoebiomassautilizandooprocessodesíntesedeFischer-Tropsch.Oslíquidos produzidos incluemnafta, óleo diesel ematérias-primas para a indústria petroquímica.OóleodieselresultantedoprocessoGTLpodeserutilizadoinnaturaoumisturadocomoóleodieselproduzido de outras formas; isto representa uma oportunidade de redução da dependência aoscombustíveisfósseisedasemissõesdecorrentesdeseuprocessamento.

Diferentesrotasparaaconversãodometanoemhidrocarbonetos líquidos incluemaconversãodiretaeaconversãoindiretadometano.Atéomomento,astecnologiascomerciaissãobaseadasnarotadeconversãoindireta,queconsistenumasequênciademúltiplosprocessosdereação,emcincoetapas: separação de ar; processamento do gás; produção de gás de síntese; conversão do gás desíntese a um produto cru sintético ou oxigenado (via processo Fischer-Tropsch); ehidroprocessamento do cru sintético para transformá-lo em produtos comerciais. A Figura A2.3representa de forma ilustrativa as cinco etapas.A conversão direta dometano é consideradamaiseficientedopontodevistaenergético,umavezqueporelaevita-seaetapaaltamenteenergointensivadareformaavaporparaformaçãodegásdesíntese.

FiguraA2.3–principaispassosdeumarotaGTLporviaindiretaFonte:KeshaveBasu(2007).

ProcessoFischer-Tropsch

DeacordocomSzklo(2005),areaçãodesínteseFischer-Tropsch(FT)envolveareaçãocatalíticaentrehidrogênioemonóxidodecarbonoparaformarcadeiasdehidrocarbonetosdeváriasextensões(CH4,C2H6,C3H8,dentreoutros).Oprincipalsubprodutodareação,cujaequaçãoéabaixodescrita,éágua.

SínteseFT:

naqualm=2n+2seapenasparafinasem=2nseapenasolefinasforemproduzidas.Pelo endereço <http://www.fischer-tropsch.org/> é possível acessar uma grande diversidade de

trabalhostécnicosrelativosaoprocessoFischer-Tropsch,incluindo-sepatentes,anaisdecongressoserelatóriostécnicosrelativosaaplicaçãodomesmoemescalaindustrial.AFiguraA2.4ilustraumreatorFischer-Tropsch.

Limpezadegases

ProcessoClaus

DeacordocomKhartchenko(1998),oprocessoClaussedestinaaoxidarosulfetodehidrogênio(ougássulfídrico,deestruturaquímicaH2S)comoxigêniodoaratmosféricodemodoaproduzirenxofre,deacordocomareação:

2H2S+O2→2H2O+S

AoxidaçãodoH2Sérealizadaemdoisestágios,sendoumdeordemtérmica,dealtatemperatura,eoutrocatalítico,debaixatemperatura.Noestágiotérmico,amisturadogásaserprocessadoearéenviadoaumfornoa600°C.AmaiorpartedoH2Spresentenogáséentãooxidada,gerandoenxofre

na forma de vapor e vapor de água.O gás é então resfriado para condensar o vapor de enxofre,sendoposteriormentereaquecidosatécercade250°C.OH2Sremanescenteéoxidadoemumreatorcatalítico.Oenxofreformadoéentãoremovidoporcondensação,eoprodutofinaléenxofresólido.Pequenasquantidadesdecompostosdeenxofre,comoCOS,CS2,SO2eH2Sresidualsãoremovidosparaposteriortratamento.

FiguraA2.4–esquemadereatorFischer-TropschFonte:Disponívelem:<http://lindeengineering.net/img/14_3_LindeIsothermr_2.jpg>.Acessoem:3mar.2008.

Terceiroestágiodeciclones

DeacordocomChen(2006),ocatalisadorcatalíticoemleitofluidizado(FCC,FluidizedCatalyticCracking) utilizado no refino de petróleo requer regeneração contínua do catalisador perdido naqueima do coque (que se forma internamente ao FCC) com ar sob condições de velocidadesuperficial de fluidização relativamente elevadas (0,91 m/s). O regenerador típico conta commúltiplos pares de ciclones de dois estágios para capturar e retornar o catalisador para o leitofluidizado. Em função das grandes vazões de ar, tais ciclones são relativamente grandes em seudiâmetroepoucoefetivosnacapturadepartículasfinasdocatalisador.

Parasolucionaracapturadosfinosdocatalisadoremprega-seoterceiroestágiodeciclones,queéprojetadocombaseemumsistemade transportedaspartículasemespiral (swirl) comdiâmetrorelativamentepequeno;peloelevadomovimentociclônicoemespiral,commúltiplostubos,pode-seprocessar grandes volumes de gás, recolhendo-se partículas até 2 μm e protegendo sistemas detratamento de gases existentes à frente, tais como precipitadores eletrostáticos, lavadores de gás asecoesistemasdereduçãoseletivacatalítica.AFiguraA2.5ilustraosistemaemespiraldoterceiroestágiodeciclones.

FiguraA2.5–esquemadeterceiroestágiodecicloneFonte:Chen(2006).

ControledeemissãodeNOx

Emgeral,empregam-separaocontroledoNOx(Balestieri,1994):

–queimadoresdebaixoNOx:atuamnoNOxdeconstituiçãoeapresentamemseuprojetoregistrosduais que permitem o controle da estequiometria e vorticidade do combustível na válvulainterna, enquanto a válvula externa controla o formato e o comprimento da chama; pelocontrole da entrada de ar no registro externo é possível equalizar a estequiometria eminimizaroexcessodear.Issoseexplicapelofatodeafaseinicialdacombustãoocorreremmeiodeficientedeoxigênioeonitrogênioliberadodocombustívelcompetircomocarbonoe com o hidrogênio por uma quantidade insuficiente de oxigênio; o nitrogênio perde acompetiçãoporoxigênio, reduzindoaquantidadedeóxidonítrico formado, eonitrogêniooriundodocombustíveliráinteragirparaformarmoléculasdenitrogênio.

–queimadoresconvencionaiscominjeçãodevaporouágua:essapráticajásetornoucomumemprocessosdecombustão,sendoatecnologiaSTIG(SteamInjectionGasTurbine)dedomíniodosfabricantesdeconjuntosagáseoferecidacomercialmente.

–reduçãoseletivacatalítica(SCR,SelectiveCatalyticReduction):consistenainjeçãodeamôniaanidridoouaquosa(NH3)nosgasesdeexaustãoemumaetapaanterioràsuaentradanoreatorcatalítico. A amônia, ao reagir com o NOx presente nos gases, produz água e nitrogênio(FiguraA2.6).

FiguraA2.6–Esquemabásicodareduçãoseletivacatalítica

O reator catalítico consiste de um conjunto de placas com celas de tamanho em torno de150x150x1000(mm)querecebeamisturaNOx/NH3;oNOxeoNH3 secombinamnasuperfíciedocatalisador,formandoumsaldeamôniaintermediárioque,aseguir,sedecompõeparaproduziráguaenitrogênio.Comoaumentonaproporçãodessamistura,verifica-setantooaumentonaeficiênciade redução do NOx quanto o aumento da conversão do SO2 em SO3, o que é indesejável. Asproporções devem, portanto, ser bem dimensionadas para o aproveitamento ótimo desseequipamento.

Emgeral,ocatalisadoréopentóxidodevanádio,umprodutoqueoperabemnafaixaentre315°Ce400°C,apresentandoperdadeamôniapelachaminé(ammoniaslip)para temperaturasabaixodessa faixa e sinterização do catalisador em temperaturas acima de 427 °C. Essa dependência à

temperaturafazcomqueosistemaSCRtenhaqueficarlocalizadonacaldeiraderecuperação,ondeatemperaturapodesercontroladadentrodafaixaótima;comoosgasesdeexaustãodeumconjuntoagás podem exceder os 540 °C, as configurações de turbinas a gás em ciclo simples não devemutilizaratecnologiaSCR,umavezquenãoseriapráticoacrescentarumacaldeirasimplesmenteparacontrolar a temperatura do catalisador. O processo seletivo catalítico é uma das opções maiseficientes.Oscustos relativosaessa tecnologiasedevem,precisamente,aomanuseioedisposiçãofinaldosresíduosdeóxidosdevanádioetitânio,queapresentamriscosàsaúdehumanaeaomeioambiente.

–reduçãoseletivanãocatalítica(SNCR,SelectiveNon-CatalyticReduction):métododecontrolepós-combustão que reduz o NOx a partir da injeção de amônia ou ureia nas câmaras decombustão ou em outro local posterior à formação dos gases. Esse processo, que nãoempregaelementoscatalisadores,éútilsomenteemelevadastemperaturas,oqueoimpededeserempregadoemunidadesdeturbinasagás,talcomoosistemaSCR.Comparativamenteaeste outro sistema, o processo de redução não catalítica tem por vantagem o fato de serintrinsecamente seguro no que tange àmanipulação da amônia, apresentando eficiências daordemde60%a80%.

– recirculação dos gases de exaustão (FGR, Flue Gas Recirculation): consiste na reinjeção departe dos mesmos na fornalha ou queimadores, ocorrendo diminuição da temperatura dechamacomconsequentediminuiçãodaformaçãodeNOx térmico.Aadmissãodosgasesdeexaustão também reduz o conteúdo de oxigênio no ar de combustão, limitando sua reaçãocom nitrogênio. A taxa de recirculação dos gases de exaustão se encontra limitada pelainstabilidadedechamaeadiminuiçãodoaportetérmicogeradonacaldeira;taxasdaordemde15%sãoutilizadasemcaldeirasagásnatural,comreduçõesentre70%e80%.Emgeral,nãoseempregaessesistemaemunidadesquequeimamcarvãoouresíduosdepetróleopelosaltosteoresdenitrogênioapresentados.

ControledeemissãodeSOx

Emgeral,empregam-separaocontroledoSOx(Balestieri,1994):

–dessulfurização dos gases de exaustão (FGD, FlueGasDesulphurization): de acordo comosresíduos gerados com a remoção do SOx, os processos podem ser classificados comodescartáveis,quandooresíduorequersuaeliminaçãocomorejeito,eosquegeramprodutoscomercialmente interessantes, taiscomoenxofre,ácidosulfúricoesulfatodeamônio.Essesúltimos apresentammaior custo de investimento, porém sãomais atrativos financeiramentepor apresentarema possibilidadede vendados subprodutos.Existemdiversos processos dedessulfurização a seco, muitos deles descartáveis; três dos principais processos FGD sãoenquadrados nessa categoria, e consistem no emprego da cal, soluções à base de sódio ouduplofluxodesoluçõesdesódio.Basicamente,osprocessoscompreendemocontatoentreassubstânciasempregadaseo fluxodegasesexaustosque,por reaçãoquímica,captamoSOx

formandonovassubstâncias,sólidasoulíquidas,quesãoremovidasedescartadas.– lavadores de gases (scrubbers): os lavadores de gases a seco usam um fluxo de reagente

cáustico para remover o SOx, alguns removendo os particulados simultaneamente. Existem

modelostipospray,fole,bandejaetorrecompactae,portanto,aseficiênciasderemoçãodoSOxtambémsãovariadas.

EQUIPEDEREALIZAÇÃO

CoordenaçãoGeralMarcosKeithTakahashi