pfc gonzalo lopez-abente munoz

UNIFEI/IEM

Aluno: Gonzalo Lpez-Abente Muoz - 26425

Orientador: Prof. Dr. Christian R. Coronado

Co-Orientador: MSc. Csar A. Rodrguez Sotomonte

UNIFEI/IEM Trabalho Final de Graduao

ii

Resumen del Proyecto Final de Carrera

ANLISIS TERMODINMICO DE UN CICLO RANKINE

ORGNICO UTILIZANDO FUENTES DE ENERGA

RENOVABLES

Introduccin

El elevado crecimiento del actual ambiente socio econmico llev a la necesidad de

buscar formas de obtener energa que permitan disminuir la dependencia de las fuentes de

combustible fsiles y as tambin disminuir la contaminacin medioambiental. Las fuentes

renovables de baja y media temperatura son recursos energticos de elevado potencial para la

generacin distribuida de electricidad. Este proyecto muestra la viabilidad termodinmica de

un ciclo Rankine Orgnico (ORC) para tres fuentes renovables diferentes: energa geotrmica,

energa solar y biomasa. Para realizar el estudio se fij algunos valores, como por ejemplo, las

temperaturas de trabajo de cada fuente renovable. Una vez definidas, se hizo una simulacin

del ciclo ORC en el programa Aspen HYSYS v3.2. Los fluidos de trabajo del ciclo ORC

son los fluidos orgnicos. Se realiz simulaciones para diferentes fluidos orgnicos y se

obtuvo as los parmetros necesarios para el anlisis termodinmico en funcin del fluido que

ms potencia poda generar o mayor rendimiento de ciclo present.

Anlisis termodinmico del sistema

A continuacin se muestran los datos termodinmicos obtenidos al simular el ciclo

ORC para las diferentes fuentes renovables estudiadas: energa geotrmica , solar y biomasa.


iii

En este estudio se ha tenido en cuenta una temperatura de la fuente renovable constante. Se ha

ido variando la presin de evaporacin para obtener las condiciones en las que el ciclo trabaja

en el punto de mayor eficiencia y potencia trmica, que no tienen por qu ser el mismo. Estos

ciclos son simulados computacionalmente utilizando un software de simulacin de procesos

industriales.

El software utilizado es Aspen HYSYS v3.2 desarrollado por la Hyprotech. HYSYS es

un software para modelar procesos qumicos, usado principalmente en la industria

petroqumica, refineras y un nmero elevado de empresas de ingeniera. Este software

dispone de una extensa base de datos, con ms de 1500 sustancias tanto solidas como liquidas

o gaseosas as como las propiedades fsicas y qumicas de cada una de ellas.

Anlisis termodinmico

El ciclo que se consider para realizar el anlisis fue un ciclo ORC simple subcrtico,

compuesto por cuatro componentes: bomba, evaporador, turbina y condensador. El ciclo esta

formado por cuatro procesos que ocurren en rgimen permanente (Figura 4.1): expansin en

la turbina expanso na turbina (12), transferencia de calor en el condensador hasta que el

fluido se encuentre en estado de lquido saturado (23), aumento de presin por la accin de

la bomba (34) y transferencia de calor en el evaporador hasta que el fluido se encuentre en

estado de vapor saturado (41). En este ltimo proceso se observa el Pp (pinch point) y el

TTD (diferencial de temperatura terminal) en el diagrama T-S (Figura 4.1), estos dos

paramentaros deben ser establecidos en el ciclo. As cuando se realice la simulacin de la

transferencia de calor en el evaporador la temperatura de la fuente nunca se corte con la

temperatura del fluido orgnico, esto asegurar un funcionamiento preciso del ciclo.


iv

Figura 1.1 Ciclo ORC simple, configuracin y diagrama T-S.

Para realizar el anlisis termodinmico se realizaron las siguientes consideraciones: la

eficiencia isentrpica de la turbina (t) y de la bomba (b) se fijaron en 80%. La TTD entre la

fuente de calor y el fluido orgnico tiene que ser como mnimo de 10 C, o Pp del evaporador

es considerado de 3 C, el caudal del fluido de la fuente de calor (agua) se consider de 100

kg/s y se asume que no existen perdidas de presin ni en el evaporador ni en el condensador.

No se consider prdidas de calor en los equipamientos con el exterior.

La temperatura de condensacin del fluido orgnico se consider de 40 C, para

realizar la condensacin se utilizo agua a una temperatura ambiente de 25 C.

El fluido orgnico a la salida del evaporador se considera vapor saturado (punto 1,

Figura 4.1) y a la salida del condensador se considera liquido saturado (punto 3, Figura 4.1).

La Figura 4.2 muestra la configuracin del ciclo ORC en el software Aspen HYSYS.

Para efectos de simulacin computacional se coloc dos evaporadores para poder definir el Pp

y el TTD.

En el programa HYSYS se utiliz el modelo termodinmico de Peng-Robinson

modificado por Stryjek-Vera (PRSV) para obtener las propiedades termodinmicas de los

fluidos orgnicos utilizados en el ciclo ORC.


v

Figura 1.2. Simulacin del Ciclo Rankine Orgnico Aspen HYSYS v3.2.

Para realizar el anlisis termodinmico se estudian la primera y segunda ley de la

termodinmica en cada uno de los componentes del ciclo. A partir de balances de masa

(Ecuacin 4.1) y energa (Ecuacion 4.2) se obtiene por una parte el trabajo en la turbina y la

bomba y por otra el calor absorbido en el evaporador y el disipado en el condensador.

Una vez que tengamos estos datos se obtendr el rendimiento trmico del

ciclo(Ecuacin 4.3), que se define como la divisin del trabajo total del ciclo entre el calor

absorbido en el evaporador.

A partir de la segunda ley de la termodinmica es posible analizar la cantidad de

irreversibilidades en cada componente.

A continuacin se realiz el anlisis termodinmico de las diferentes fuentes

renovables estudiadas.


vi

Energa geotrmica

La temperatura escogida para esta fuente fue de 100C debido a su elevado potencial

para la generacin de electricidad tanto en Europa como en Brasil. Los fluidos orgnicos

utilizados fueron el R134a y el n-pentano ya que muestran buenas propiedades

termodinmicas a bajas temperaturas.

Energa solar

La temperatura para la energa solar se fij en 150C ya que como se revis en la

literatura cientfica es la temperatura que pueden llegar en los concentradores los colectores

solares parabolicos que son los mas utilizados en generacin de electricidad en pequea

escala. Para este ciclo se utiliz los fluidos orgnicos R600 y el Benceno.

Biomasa

Para hacer la simulacin de biomasa se utiliz una temperatura de funcionamiento de

350C. Los fluidos orgnicos utilizados fueron ciclopentano y el octametiltetrasiloxano (MM)

ya que muestran buenas caractersticas para fuentes de altas temperaturas.

SIMULACIONES

A continuacin se va a realizar las simulaciones de las distintas energas renovables

para comprobar cul de los fluidos orgnicos escogidos ofrecen mejor desempeo en el ciclo.

Al final del captulo se compararn las tres fuentes renovables para ver cual es ms rentable.

Simulaciones para energa geotrmica

Utilizando el programa HYSYS se calcul el rendimiento (Figura 4.3) y potencia total

del ciclo ORC (Figura 4.4) para diferentes presiones de evaporacin para los fluidos

orgnicos seleccionados manteniendo la temperatura de la fuente geotrmica constante a

100C. A partir de la figura 4.3 se observa que a mayor presin de evaporacin mejor

rendimiento tiene el ciclo, ya que para una fuente de calor constante una mayor presin de

evaporacin conlleva a un menor caudal msico de fluido orgnico.


vii

En la Figura 4.4 se observa que el aumento de la presin de evaporacin hace que

aumente la potencia en la turbina hasta cierto punto en el que comienza a disminuir la

potencia con respecto al aumento de la presin. Esto sucede porque la potencia depende tanto

de la diferencia de entalpias como del caudal msico, con el aumento de la presin aumenta

tambin la diferencia de entalpias pero el caudal msico disminuye con el aumento de la

presin de evaporacin, llegando un punto en el que esta disminucin es mayor que el

aumento de la variacin de la entalpia, esto conlleva a que la potencia baje.

Figura 4.3. Variacin del rendimiento en funcin de la presion de evaporacion a 100C.

Figura 4.4. Variacin de la potencia total del ciclo en funcion de la presin de evaporacion

para 100C

Nos quedamos con el fluido que puede generar mayor potencia, en este caso es el

R134a ya que es capaz de realizar un mayor aprovechamiento de la fuente geotrmica. Una

vez seleccionado el fluido realizamos el estudio de las irreversibilidades de los componentes,

3

4

5

6

7

8

9

10

0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500

Efic

in

cia(

%)

Presso evaporao (kPa)

R134a

n-pentano

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500

Po

tn

cia

tota

l (kW

)

Presso evaparao (kPa)

R134a

n-pentano


viii

donde el evaporador destac por ser el componente ms crtico, generando el que mayor

irreversibilidad con un valor del 44%, esto debido a la alta diferencia de temperaturas entre la

fuente de calor y el fluido orgnico, el siguiente componente con mas irreversibilidad es el

condensador, debido a las prdidas de calor disipadas en el agua de alimentacin del

condensador.

Simulaciones para energa solar

Las condiciones iniciales para el estudio de energa solar fueron las mismas que para

energa geotrmica. Se compar la potencia y el rendimiento de los fluidos orgnicos R600 y

Benceno donde se obtuvo que el que mejor rendimiento y mayor potencia ofreca era el fluido

orgnico R600. En el estudio de las irreversibilidades se observo un comportamiento similiar

al ocurrido en el caso de energa geotrmica, donde el componente de mayor irreversibilidad

fue el evaporador, seguido del condensador.

Simulacin para biomasa

En biomasa despus de realizar las simulaciones en el programa HYSYS se obtuvo el

ciclopentano como el mejor fluido para trabajar con las condiciones iniciales impuestas y a la

temperatura de 350C. En el estudio de las irreversibilidades se mostro que el evaporador

tiene el 53% de las irreversibilidades del sistema, es ms elevada que para geotrmica y solar

debido a que la temperatura del evaporador es aun de mayor valor que para las otras dos

fuentes estudiadas.

Resultados

Ahora se comparan las tres fuentes estudiadas con los correspondientes fluidos que mejor

resultados mostraron. En esta comparacin se tiene en cuenta la potencia en la turbina (Figura

4.5), el rendimiento trmico del ciclo (Figura 4.6), el calor absorbido en el evaporador (Figura

4.7) y las irreversibilidades de los componentes (Figura 4.8).


ix

Figura 1.5 Potencia en la turbina

Figura 1.6 Rendimiento trmico

1031

1786

1013

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

geotrmica (R134a) solar (R600) biomassa (ciclopentano)

Wt (kW)

5,9

10

15,4

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18


Eficincia trmica (%)


x

Figura 1.7 Calor absorbido en el evaporador

De los resultados obtenidos se observ que la energa solar es la fuente capaz de generar

mayor potencia. Comparando las fuentes de geotrmica y solar se vio que un aumento de

temperatura de 50C aumenta en torno del 70% la generacin de potencia en la turbina, esto

es debido a que es posible operar con una variacin de presin mayor en la turbina. En la

figura 4.7 se observa que el calor absorbido en el evaporador en el caso de energa solar es

10% mayor que la de geotrmica, por lo que la muestra que la cantidad de calor absorbido no

tiene una fuerte dependencia de la temperatura de la fuente de calor.

Por otro lado al comparar la energa solar y biomasa se observa que aunque la potencia

generada por la biomasa es 43% menor que la solar el rendimiento de la biomasa es mayor y

el calor absorbido en el evaporador es 70% menor que para la energa solar (Figura 4.7).

Por lo que la potencia generada en la turbina depende tanto de la temperatura de la

fuente asi como de la cantidad de calor absorbido en el evaporador.

15401,8 16744

5000

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000


Qevap (kW)


xi

Figura 1.8 Irreversibilidades para las trs fuentes renovables estudiadas.

En la Figura 4.8 se observa que en el evaporador las irreversibilidades aumentan con el

aumento de la temperatura de la fuente de calor, ya que cuanto mayor es la diferencia de

temperatura entre el evaporador y el ambiente ms calor es desperdiciado. En la bomba las

irreversibilidades son despreciables.

CONCLUSIONES

A partir de la revisin bibliogrfica realizada en este proyecto se concluye que para

aprovechar fuentes de calor de baja y media temperatura, el ciclo ORC tiene mayores ventajas

que el ciclo Rankine convencional. Algunas de estas ventajas son trabajar a bajas presiones de

evaporacin, menores temperaturas de entrada en la turbina lo que se traduce en turbinas mas

simples.

A partir del anlisis de primera ley de la termodinmica, para las condiciones

propuestas se obtuvo que la energa solar genera una potencia de 1786 kW lo que representa

una generacin de 70% mayor que para energa geotrmica y biomasa. Con respecto al

rendimiento trmico, la biomasa fue la fuente renovable que mayor rendimiento mostro con

un valor de 15,4%, seguida de la energa solar con 10% y de la geotrmica con un 5,9%. Se ve

que la eficiencia aumenta con el aumento de la temperatura de la fuente de calor.

A partir de los resultados, se concluye que es de elevada complejidad determinar cul

de las fuentes renovables tendr mejor resultado, ya que cada una de ellas tiene diferentes

ventajas e inconvenientes. Aunque la energa geotrmica tenga un elevado potencial para

0

10

20

30

40

50

60

turbina condensador bomba evaporador

Irreversibilidades (%)

geotrmica (R134a)

solar (R600)

biomassa (ciclopentano)


xii

bajas temperaturas, es la energa que presenta un mayor desafo para su aprovechamiento.

Para energa solar se necesita mucha energa absorbida en el evaporador para generacin de

potencia esto conlleva a utilizar un intercambiador de calor de grandes dimensiones. Entre las

tres energas renovables estudiadas utilizando el ciclo ORC, la biomasa es la ms utilizada ya

que es la fuente que mayor temperatura puede alcanzar haciendo con que sea mayor el

aprovechamiento de esta tecnologa.

En este proyecto se mostro que los fluidos R134a, R600 y ciclopentano trabajando con

las fuentes de geotrmica, solar y biomasa respectivamente, generan ms potencia cuando se

comparan con los dems fluidos estudiados.


xiii

Dedicatria

Gostaria dedicar este trabalho, o qual representa o final de uma etapa, a minha me e

meu pai pela educao recebida e pelo apoio mostrado em minhas decises, a meu irmo que

sempre esteve nos momentos difceis e aos meus amigos por acompanhar-me no caminho e

faz-lo divertido.


xiv

Agradecimentos

Gostaria de agradecer a Universidade Carlos III de Madrid e a UNIFEI pela

oportunidade oferecida para realizar este intercmbio to enriquecedor tanto na parte

acadmica como pessoal.

Queria agradecer a meu orientador o Prof. Dr. Christian e a meu co-orientador o MSc.

Cesar Sotomonte pelas correes na confeco e pela ajuda mostrada neste Trabalho Final de

Graduo.


xv

Resumo

O elevado crescimento do atual ambiente socioeconmico levou necessidade de

procurar formas de obter energia que permitam diminuir a dependncia das fontes de

combustveis fsseis e ao mesmo tempo interromper as mudanas climticas que os mesmos

combustveis fsseis esto ocasionando na Terra. As fontes renovveis de energia de baixa e

mdia temperatura so recursos energticos de elevado potencial para a gerao distribuda de

eletricidade e tambm tero uma influncia importante no modo de vida das pessoas ao

permitir uma produo de energia descentralizada. O presente trabalho mostra a viabilidade

termodinmica e uma proposta de anlise de custos de um ciclo Rankine Orgnico (ORC)

para trs diferentes fontes trmicas renovveis: a energia geotrmica, energia solar e a

biomassa. Para a realizao deste estudo foram fixados alguns valores, como por exemplo, as

temperaturas de trabalho para cada fonte trmica (energia geotrmica, solar e biomassa). Uma

vez definidas, foi realizado uma simulao do ciclo ORC no programa computacional Aspen

HYSYS v3.2 desenvolvido pela Hyprotech Ltd. Os fluidos de trabalho do ciclo ORC so os

fluidos orgnicos. Foram realizadas simulaes para diferentes fludos orgnicos e obtendo

assim os parmetros necessrios para anlise termodinmica conforme ao maior rendimento e

potncia trmica. Foi apresentada uma proposta de anlise econmica para os principais

componentes do sistema termodinmico para cada ciclo ORC.

Palavras-chave: ORC, termodinmica, fluidos orgnicos, energias renovveis,

irreversibilidades.


xvi

Abstract

The growth of the current socioeconomic environment has led to the need of looking

for new ways of power that reduce the dependence on fossil fuel sources. This new ways of

power will also reduce the climate changes caused by the fossil fuel. Renewable energy for

low and medium temperature have a high potential for electricity generation and will also

have an important influence on the way people live by enable decentralized energy

production. The present work shows the thermodynamic viability and a cost analysis proposal

of an ORC cycle for three different renewable sources, geothermal energy, solar energy and

biomass. For this study some values were fixed, such as working temperature for each heat

source (geothermal energy, solar and biomass). An ORC cycle simulation was made using the

Aspen HYSYS v3.2 software developed by Hyprotech Ltd. Simulations for different

organic fluids were made to obtain the required parameters for the thermodynamic viability

taking into account the higher thermal efficiency and power production. A cost analysis for

the system components for each ORC cycle was proposed, given the impossibility of

obtaining real cost values.

Key words: ORC, thermodynamics, organic fluid, renewable energy, irreversibility.


xvii

Lista de Figuras

Figura 1.1 Evoluo da provvel demanda de energia global dividida em diferentes

combustveis. .............................................................................................................................. 1

Figura 1.2 Taxas mdias anuais de crescimento das energias renovveis e capacidade de

produo de biocombustveis globais, 2005-2010. .................................................................... 2

Figura 1.3 Cota de energias renovveis na produo de eletricidade Global, 2011. ................. 3

Figura 2.1Comparao entre rendimentos do ORC e o ciclo Rankine convencional para

diferentes gamas de potncia. ..................................................................................................... 5

Figura 2.2 Arranjo de um ciclo ORC com recuperador e pr-aquecedor. ................................. 8

Figura 2.3 Relao de tipos de mquinas de expanso com potncia para diferentes fontes de

calor ............................................................................................................................................ 9

Figura 2.4 Desenho 3D e fotografia de uma turbina radial. .................................................... 10

Figura 2.5 Ciclo ORC simples, esquema e diagrama T-S. ...................................................... 11

Figura 2.6 Ciclo ORC com recuperador, esquema e diagrama T-S . ...................................... 11

Figura 2.7 Curvas dos distintos fluidos orgnicos, a) fluido seco, b) fluido mido, c) fluido

isentrpico. ............................................................................................................................... 12

Figura 3.1 Aquecimento do ambiento com energia geotrmica. ............................................. 15

Figura 3.2 Capacidade instalada de produo de eletricidade a partir das fontes geotrmicas

em 2010 na Terra ...................................................................................................................... 16

Figura 3.3 Esquema de funcionamento das diferentes centrais geotrmicas. ......................... 17

Figura 3.4 Esquema de um ORC para uma fonte geotrmica. ................................................ 18

Figura 3.5 Central Granja Empire de ciclo binrio (3,6MW)(Estados Unidos). ..................... 19

Figura 3.6 Esquema de uma planta geotrmica ....................................................................... 19

Figura 3.7. Possveis fontes geotrmicas no Brasil ................................................................. 22

Figura 3.8 Distribuio da irradiao solar na Terra ............................................................... 22

Figura 3.9. Painel de Silcio policristalino (a) e Silcio monocristalino (b) ............................ 23

Figura 3.10 Painel de Silcio amorfo ....................................................................................... 24


xviii

Figura 3.11 Disposio de um sistema FV. ............................................................................. 25

Figura 3.12 Preo das clulas fotovoltaicas de silcio cristalino (em $/Wp)........................... 26

Figura 3.13 Configuraes de plantas solar trmicas .............................................................. 27

Figura 3.14 Esquema de um ciclo ORC para uma fonte solar ................................................ 28

Figura 3.15 Sistema solar com ciclo ORC em Lesotho, sul da frica(1 kW). ....................... 28

Figura 3.16 Relao entre a eficincia do coletor e do ORC. ................................................ 29

Figura 3.17 Diagrama esquemtico dos processos de converso energtica da biomassa ...... 30

Figura 3.18 Esquema de um ciclo ORC para uma fonte de biomassa. ................................... 31

Figura 3.19 Operao e combustvel do Gaseificador downdraft de biomassa de 30 kW. ..... 32

Figura 3.20. Gaseificador Downdraft de Biomadssa de 30 kW instalado na Fac. De

Engenharia de Guaratimhiuet FEG UNESP. .................................................................... 33

Figura 4.1 Ciclo ORC simples, configurao e diagrama T-S. ............................................... 35

Figura 4.2. Simulao Ciclo Rankine Orgnico Aspen HYSYS v3.2. ................................ 36

Figura 4.3. Variao da eficincia em funo da presso de evaporao para 100C ............. 43

Figura 4.4 Variao da potncia total do ciclo em funo da presso de evaporao para

100C ........................................................................................................................................ 44

Figura 4.5. Comparao da vazo do fluido do trabalho e H na turbina para R134a ........... 45

Figura 4.6 Porcentagem de irreversibilidade em cada componente do ciclo ORC para maior

potncia a100C. ....................................................................................................................... 48

Figura 4.7 Porcentagem de irreversibilidade de cada componente do ciclo ORC para melhor

eficincia a100C. ..................................................................................................................... 50

Figura 4.8 Comparao de potncia e eficincia para energia geotrmica ............................. 51

Figura 4.9 Comparao das irreversibilidades para energia geotrmica ................................. 52

Figura 4.10. Variao da eficincia em funo da presso de evaporao para 150C ........... 53

Figura 4. 11. Variao da potncia total em funo da presso de evaporao para 150C ... 53

Figura 4.12 Porcentagem de irreversibilidade para cada componente do ciclo ORC para

maior potencia a150C .............................................................................................................. 55

Figura 4.13 Porcentagem de irreversibilidade para cada componente do ciclo ORC para

melhor eficincia a150C .......................................................................................................... 57

Figura 4.14 Comparao de potncia e eficincia para energia solar ..................................... 57


xix

Figura 4.15 Comparao das irreversibilidades para energia solar ......................................... 58

Figura 4.16 Variao da eficincia em funo da presso de evaporao para 350C ............ 59

Figura 4.17. Variao da potncia total em funo da presso de evaporao para 350C .... 59

Figura 4.18 Comparao da vazo do fluido do trabalho e H na turbina para o ciclopentano.

.................................................................................................................................................. 60

Figura 4.19 Porcentagem de irreversibilidades para componente do ciclo ORC a 350C ...... 62

Figura 4.20 Potncia na turbina para as trs fontes renovveis estudadas .............................. 63

Figura 4.21 Eficincia trmica para as trs fontes renovveis estudadas. ............................... 63

Figura 4.22 Calor absorvido no evaporador para as trs fontes renovveis estudadas ........... 64

Figura 4.23 Irreversibilidades para as trs fontes renovveis estudadas ................................. 65


xx

Lista de Tabelas

Tabela 3.1 Evoluo da capacidade instalada de produo de eletricidade por pases. .......... 16

Tabela 3.2 Distribuio das centrais geotrmicas por tecnologias. ......................................... 20

Tabela 3.3 Potencial da energia geotrmica na Europa para diferentes faixas de temperatura

.................................................................................................................................................. 21

Tabela 3.4 Tipos de painis da planta solar de Tudela ............................................................ 24

Tabela 4.1 Propriedades dos fluidos orgnicos escolhidos para a energia geotrmica. .......... 41

Tabela 4.2 Propriedades dos fluidos orgnicos escolhidos para energia solar. ....................... 42

Tabela 4.3 Propriedades dos fluidos orgnicos escolhidos para biomassa. ............................. 43

Tabela 4.4 Caractersticas termodinmicas para maior potncia a 100C ............................... 46

Tabela 4.5 Irreversibilidades dos componentes para maior potncia a 100C ........................ 48

Tabela 4.6 Caractersticas termodinmicas para maior eficincia a 100C ............................. 49

Tabela 4.7 Trabalho e calor dos componentes para melhor eficincia a 100C ...................... 49

Tabela 4.8 Irreversibilidades dos componentes para melhor eficincia a 100C .................... 50

Tabela 4.9 Caractersticas termodinmicas do ciclo para maior potncia a 150C ................. 54

Tabela 4.10 Trabalho e calor dos componentes para maior potncia a 150C. ....................... 54

Tabela 4.11 Irreversibilidades dos componentes para maior potncia a 150C ...................... 54

Tabela 4.12 Caractersticas termodinmicas do ciclo para maior eficincia a 150C ............. 56

Tabela 4.13 Trabalho e calor dos componentes para maior eficincia a 150C ...................... 56

Tabela 4.14 Irreversibilidades dos componentes para maior eficincia a 150C .................... 56

Tabela 4.15 Caractersticas termodinmicas do ciclo para 350C ........................................... 61

Tabela 4.16 Potncias e calores obtidos para 350C. .............................................................. 61

Tabela 4.17 Irreversibilidades dos componentes para 350C .................................................. 61


xxi

Lista de Smbolos:

Nomenclatura

A rea [m2]

Custos [US$]

E Energia eltrica produzida [kW]

f Fator de anuidade

h Entalpia

H Horas de operao das plantas de gerao de

eletricidade

[h/ano]

Ip Custo de investimento da planta. [US$/kW]

Irreversibilidade [kW]

k Perodo de amortizao [ano]

Vazo mssica

N Numero de trabalhadores

PCI Poder calorfico inferior do combustvel [kJ/kg K]

p Preo [US$/kWh]

P Presso [kgf/cm2]

q Calor transferido no evaporador

Q Taxa de calor transferido [kW]

r Taxa de juros [%]

RA Receita anual [US$]

s Entropia especifica

Sal Salrio mdio do pessoal que trabalha na

planta

[US$]


xxii

T Temperatura [K]

Potncia [kW]

Smbolos gregos

Eficincia [%]

Eficincia de gerao de energia eltrica [%]

Eficincia da segunda lei da termodinmica [%]

Eficincia na cmara de combusto da

caldeira de biomassa

[%]

Subscrito

0 Ambiente

1 Ponto da entrada da turbina

2 Ponto da entrada do condensador

3 Ponto da entrada da bomba

4 Ponto da entrada do evaporador

b Bomba

bio Biomassa

cald Caldeira

cond Condensador

EL Energia eltrica produzida

evap Evaporador

fonte Componentes da energia renovvel

H Temperatura media da fonte de calor

L Temperatura media da fonte fria


xxiii

m Manuteno do sistema

o.s leo sinttico sada da caldeira

ol leo sinttico

t Turbina

th Trmica

TV Turbinas de vapor

V.E Venda de eletricidade

Combustvel

Operao

Abreviaturas e Siglas

ORC Ciclo Rankine Organico (Organic Rankine Cycle)

ppm Partculas por milho

CPS (Current policy scenario)

450 PS (450 policy scenario)

FV Fotovoltaica

Wp Potncia pico

CSP Concentrao de energia solar (Concentrated solar Power)

WHR Recuperao do calor residual (Waste Heat Recovery)

HDR Mtodo das pedras quentes e secas (Hot Dry Rocks)

ODP Potencial para destruio da camada de ozono

MM Octametiltetrasiloxano

TTD Diferencial de temperatura terminal (terminal temperature diferential)

Pp Pinch point


xxiv

SUMRIO

CAPTULO 1 INTRODUO ............................................................................................... 1

1.1 Objetivos ........................................................................................................................... 3

1.2 Desenvolvimentos do Trabalho ........................................................................................ 4

CAPTULO 2 - CICLO RANKINE ORGNICO ..................................................................... 5

2.1 Comparaes entre o ciclo ORC e o ciclo Rankine convencional ................................... 5

2.2 Descrio do Ciclo Rankine Orgnico (ORC) ................................................................. 6

2.2.1 Componentes do ciclo Rankine Orgnico .................................................................. 7

2.2.2 Diferentes tipos de ciclo ORC (estrutura do ciclo - configurao) .......................... 10

2.2.3 Funcionamento de um ciclo ORC ............................................................................ 11

2.3 Fluidos Orgnicos ........................................................................................................... 12

2.3.1 Caractersticas .......................................................................................................... 12

2.3.2 Seleo do fluido orgnico ....................................................................................... 13

CAPTULO 3 - APLICAES PARA ENERGIAS RENOVVEIS .................................... 14

3.1 Energia Geotrmica ........................................................................................................ 14

3.1.1 Aplicaes ................................................................................................................ 14

3.1.2 Vantagens e desvantagens da energia geotrmica .................................................... 20

3.1.3 Potencial da energia geotrmica ............................................................................... 21

3.2 Energia Solar .................................................................................................................. 22

3.2.1 Tecnologia fotovoltaica (FV) ................................................................................... 23

3.2.2 Energia termo solar .................................................................................................. 26

3.2.3 Vantagens e desvantagens da energia solar.............................................................. 29

3.3 Biomassa ......................................................................................................................... 29

3.3.1 Obteno da biomassa .............................................................................................. 30

3.3.2 Ciclo de cogerao ou CHP ..................................................................................... 31

3.3.3 Gaseificao ............................................................................................................. 32

CAPTULO 4 - ANLISE TERMODINMICA DO SISTEMA ........................................... 34

4.1 Anlise termodinmico ................................................................................................... 34

4.1.1 Anlises da primeira lei da termodinmica .............................................................. 36

4.1.2 Anlises da segunda lei da termodinmica .............................................................. 38


xxv

4.2 Caractersticas das fontes renovveis estudadas ............................................................. 41

4.2.1 Energia geotrmica ................................................................................................... 41

4.2.2 Energia solar ............................................................................................................. 42

4.2.3 Biomassa .................................................................................................................. 42

4.3 SIMULAES PARA ENERGIA GEOTRMICA ..................................................... 43

4.3.1 Geotrmica - maior potncia (R134a) ...................................................................... 45

4.3.2 Geotrmica - melhor eficincia, (n-pentano) ........................................................... 49

4.3.3 Comparao de resultados para os 2 casos anteriores: ............................................. 51

4.4 SIMULAES PARA ENERGIA SOLAR .................................................................. 52

4.4.1 Solar- maior potncia (R600) ................................................................................... 54

4.4.2 Solar - melhor eficincia (R600) .............................................................................. 55

4.5.3 Comparao de resultados para os 2 casos estudados: ............................................. 57

4.5 SIMULAES PARA BIOMASSA ............................................................................. 58

4.5.1 Maior potncia e melhor eficincia (ciclopentano) .................................................. 60

4.5.2 Clculo das irreversibilidades para biomassa........................................................... 61

4.6 Resultados ....................................................................................................................... 62

CAPTULO 5 PROPOSTA DE ANLISE ECONMICA ................................................. 66

5.1 Custos de investimento ................................................................................................... 66

5.1.1 Custo do ciclo ORC ................................................................................................. 67

5.1.2 Custos da Energia Geotrmica ................................................................................. 68

5.1.3 Custos da Energia Solar ........................................................................................... 69

5.1.4 Custos da Biomassa .................................................................................................. 69

5.2 Custo de eletricidade ...................................................................................................... 70

5.2.1 Custos de eletricidade para energia geotrmica e solar............................................ 70

5.2.2 Custos de eletricidade para biomassa ....................................................................... 71

5.3 Receita anual do processo............................................................................................... 71

CAPTULO 6 - CONCLUSES E SUGESTES PARA TRABALHOS FUTUROS ........... 72

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ..................................................................................... 74

UNIFEI/IEM

CAPTULO 1 INTRODUO

Desde o surgimento da Revoluo Industrial, a forma mais comum de obteno de

energia derivada do carvo e do petrleo. Estas fontes de energia so limitadas e cada vez

mais escassas. Se o consumo continuar a crescer como nos anos anteriores, em menos de 50

anos sero esgotadas (Quoilin e Lemort, 2009).

A Figura 1 mostra as projees de consumo de energia avaliadas pela Agncia

Internacional de Energia onde pode ser observado que a taxa de consumo continuar

crescendo e que os combustveis fsseis permanecero sendo a principal fonte de energia

primria. Se estas previses se confirmarem, o consumo mundial em 2025 ser superior em

30% atual.

Figura 1.1 Evoluo da provvel demanda de energia global dividida em diferentes

combustveis (Agncia Internacional de Energia, 2011).

(Nota: grfica expressa em unidades de energia chamada Mtoe (Million of tonne of oil equivalent,1 toe= 10

milhes de calorias )

*Outro, inclui biocombustveis, energia geotrmica, solar, elica, das mares, etc

Estas suposies so embasadas em duas situaes. A primeira representa os valores

de consumo que atingem as tendncias polticas atuais designado por CPS (Current Policy

Scenario), e a outra, indicada por PS 450 (450 Policy Scenario), baseado em polticas


2

climticas para estabilizar a concentrao de gases de efeito estufa em 450 ppm de CO2-

equivalente considerando um quadro ps-2012. Esta ltima representa uma situao hipottica

que seria alcanada se forem satisfatrias as polticas ambientais desenvolvidas tais como as

assumidas no Protocolo de Kyoto, Conveno da cpula de Copenhague de 2009 e na poltica

de 20/20 proposta pela Unio Europeia, que visa alcanar em 20% a gerao de eletricidade

atravs de fontes primrias renovveis em todos os pases da Unio Europia at 2020.

Mesmo que a poltica PS 450 seja mais favorvel para o meio ambiente, o consumo de

recursos fsseis continuar a ser predominante (Agencia Internacional de Energia, 2011).

Todos os fatores j mencionados incentivaram a pesquisa e o desenvolvimento de

novas tecnologias energticas mais eficientes e menos agressivas para o meio ambiente.

Assim, nos ltimos anos, foram aperfeioadas muitas das tecnologias energticas utilizadas e

reduzidas s emisses de contaminantes ambientais. Porm, o que tem caracterizado este

perodo, o esforo em desenvolver tecnologias de aproveitamento das fontes renovveis

como alternativa aos combustveis fsseis, sendo uma das mais utilizada o Organic Rankine

Cycle (ORC), detalhada na presente reviso no captulo seguinte.

Como consequncia desse estmulo diferentes tecnologias renovveis tm sido

refinadas no intuito de reduzir assim seus custos de gerao para torn-las comercialmente

competitivas frente s tecnologias energticas tradicionais. Essa melhoria refletiu em um

rpido crescimento na utilizao global destas fontes como ilustrado na Figura 1.2.

No ano 2011 estimou-se que foram instaladas 208 GW de capacidade eltrica no

mundo das quais quase a metade foram fornecidas pelas energias renovveis (REN21, 2011).

Figura 1.2 Taxas mdias anuais de crescimento das energias renovveis e capacidade de

produo de biocombustveis globais, 2005-2010 (REN21, 2011).


3

Em 2011 a capacidade de energia eltrica produzida por fontes renovveis foi de 1360

GW, equivalente a 20,3% da quantidade mundial produzida, sendo a maioria fornecida pela

energia hidreltrica. Quando no includa a energia hidroeltrica, as fontes renovveis

atingiram um total de 5 % do consumo total, como pode-se observar na Figura 1.3, porm a

utilizao deste tipo de energia ainda est em crescimento assim como os investimentos nesta

rea. No ano 2011 um total de $257 bilhes foram aplicados em energias renovveis (REN21,

2011).

Figura 1.3 Cota de energias renovveis na produo de eletricidade Global, 2011 (REN21,

2011).

1.1 Objetivos

Fazer uma reviso bibliogrfica do estado da arte de ciclos ORC com energias

renovveis. Realizar um estudo de viabilidade termodinmica dos ciclos ORC para diferentes

fontes de energias renovveis como, por exemplo, a energia geotrmica, energia solar e

biomassa. Ser realizada uma modelagem do ciclo termodinmico ORC com diferentes

fluidos orgnicos para obter os dados necessrios da potncia da turbina assim como o

rendimento do ciclo. Finalmente ser proposta uma anlise econmica para estimar os

principais custos envolvidos em cada ciclo ORC.

Objetivos especficos:

- Desenvolver a modelagem dos ciclos utilizando o Software Aspen HYSYS v3.2


4

- Clculo dos principais parmetros termodinmicos dos ciclos ORC.

- Obteno do melhor fluido orgnico que atenda a maior potncia (ou maior eficincia) para

as diferentes temperaturas de trabalho.

1.2 Desenvolvimentos do Trabalho

No captulo dois comparado o ciclo Rankine Orgnico (ORC) com o ciclo Rankine

de vapor convencional que o ciclo mundial utilizado para a obteno de eletricidade com

combustveis fsseis. Sendo descrito o funcionamento do ciclo ORC, seus componentes e os

fluidos orgnicos que so os fluidos de trabalho neste ciclo.

No captulo trs so descritas as diferentes fontes renovveis usadas neste trabalho

para o funcionamento do ciclo ORC, como a energia geotrmica, energia solar e a biomassa,

suas temperaturas de funcionamento, aplicaes e vantagens.

No captulo quatro feita uma anlise termodinmica do ciclo ORC usando o Software

Aspen HYSYS v3.2 para isso realiza-se uma simulao do ciclo ORC com diferentes

fluidos orgnicos para cada fonte renovvel e assim obter qual fluido tem um melhor

desempenho.

No captulo cinco so apresentadas equaes para obter os custos dos componentes do

ciclo ORC assim como estimaes de investimento para o aproveitamento de cada fonte

renovvel estudada.

Finalmente no captulo seis apresentam-se as concluses deste trabalho assim como

sugestes para trabalhos futuros.


5

CAPTULO 2 - CICLO RANKINE ORGNICO

Neste captulo sero tratados os temas relacionados com o ciclo Rankine orgnico.

Compara-se este ciclo com o ciclo Rankine convencional explicando as diferenas entre eles.

Descreve-se o funcionamento do ciclo ORC, seus principais componentes e os fluidos de

trabalho do ciclo (fluidos orgnicos).

2.1 Comparaes entre o ciclo ORC e o ciclo Rankine convencional

O ciclo Rankine convencional constitui o ciclo termodinmico ideal, que transforma o

calor em energia mecnica-eltrica Este ciclo utilizado nas centrais termoeltricas com

turbinas a vapor que atualmente geram o 90% da eletricidade mundial. O fluido principal de

trabalho neste ciclo a gua por apresentar, por enquanto, facilidade na sua obteno

(representa o fluido mais abundante na natureza) e no contamina. Na Figura 2.1 mostra-se a

comparao entre o rendimento do ciclo ORC e o Ciclo Rankine convencional, sendo o Ciclo

Rankine convencional a tecnologia capaz de produzir maior potncia.

Figura 2.1Comparao entre rendimentos do ORC e o ciclo Rankine convencional para

diferentes gamas de potncia (Spliethoff e Shuster, 2006).


6

Pela utilizao da gua, o ciclo Rankine convencional apresenta vrias desvantagens:

risco de eroso das ps da turbina; necessidade de superaquecimento na entrada da turbina

para evitar a condensao durante a expanso, elevadas presses na caldeira, turbinas a vapor

complexas e de elevado custo devido ao tipo de material em comparao com as turbinas

ORC (Wali, 1980).

Alm dessas limitaes o ciclo Rankine convencional requer presso e temperatura

muito elevadas (o vapor de gua para entrar na turbina deve atingir temperaturas entre 400 -

600C e a presso pode chegar a valores entre 80 e 300 Bares), e para atingi-las so usados

combustveis fsseis como carvo, gs natural e leo diesel. Outras maneiras de obteno de

calor so as fontes renovveis (solar, biomassa, geotrmica, etc.) que podem proporcionar

temperaturas entre 70-400 C. Nestas temperaturas no favorvel utilizao da gua como

fluido de trabalho por que no ir atingir as condies termodinmicas mnimas para entrar na

turbina. Sendo assim, foram investigados outros fluidos de trabalho que poderiam ser

utilizados como substitutos da gua a baixas temperaturas (Carrara, 2010).

Os fluidos orgnicos se apresentaram como a melhor opo tecnolgica para a

obteno de energia eltrica a partir de fontes de calor de baixa temperatura, j que a maioria

deles apresenta uma temperatura de ebulio bem menor que a da gua. Como as

temperaturas e presses do ciclo ORC so menores do que para o ciclo de vapor

convencional, a turbina poderia ser mais simples e, portanto, o custo seria menor. Assim esta

tecnologia ao ser mais simples e compacta em comparao com o ciclo a vapor convencional,

pode atingir uma vida til mais longa (>20 anos) com mnima manuteno, podendo operar

de maneira automatizada (Bahaa, et al, 2007).

As fontes renovveis tambm so chamadas de fontes limpas porque no poluem

durante a gerao de eletricidade. Os combustveis fsseis so um dos problemas do

aquecimento global, chuva cida, contaminao das guas, das terras e outros problemas

ambientais. Esta outra razo por que importante desenvolver tecnologias para o

aproveitamento das energias renovveis.

2.2 Descrio do Ciclo Rankine Orgnico (ORC)

O Ciclo Rankine Orgnico (ORC) um processo de converso de energia trmica, de

baixa e mdia temperatura, em eletricidade cujas fontes mais usadas compreendem a energia


7

solar, energia geotrmica e energia da biomassa. Pode ser utilizado igualmente para aproveitar

o calor residual (WHR) de algumas indstrias na produo de eletricidade de pequeno porte.

O ciclo ORC tem a mesma disposio e quase os mesmos componentes que o ciclo

Rankine a vapor convencional (evaporador, condensador, bomba e turbina), mas no precisam

de uma caldeira para a queima de combustvel fssil como no ciclo Rankine convencional,

por isso os custos de investimento e manuteno so menores. O calor latente de vaporizao

e a temperatura de ebulio dos fluidos de trabalho em um ciclo ORC so muito inferiores ao

da gua, permitindo a circulao de uma maior vazo do fluido no circuito, o que provoca um

melhor aproveitamento da fonte trmica (Larjola, 1995).

2.2.1 Componentes do ciclo Rankine Orgnico

O ciclo Rankine orgnico composto por quatro principais equipamentos: evaporador,

turbina, condensador e bomba, e por dois processos isentrpicos e dois processos isobricos.

No ciclo ideal, a bomba e a turbina so os componentes que trabalham no processo

isentrpico. O evaporador e o condensador trabalham sem perdas de carga e, portanto, sem

quedas de presso. Mas na realidade os processos na bomba e na turbina no so isentrpicos

e o condensador e o evaporador possuem perdas de carga. Isto faz com que o rendimento

trmico do ciclo seja menor devido ao aumento das Irreversibilidades. Na Figura 2.2 se

mostra o arranjo de um ciclo ORC (Tchanche et al, 2009).

A continuao descreve-se os principais componentes do ciclo ORC.

2.2.1.1 Evaporador

Trocador de calor entre o fluido orgnico aquecido e a fonte de calor. O projeto do

evaporador muito importante, pois deve ser bem dimensionado para que o calor que este

transferir ao fluido de trabalho seja apenas o necessrio para o bom funcionamento do ciclo.

O evaporador o responsvel pela maior gerao das irreversibilidades e aperfeioar este

equipamento fundamental para aumentar a eficincia do sistema. Com um s evaporador em

um ciclo ORC pode-se realizar as trs fases de evaporao: pr-aquecimento, vaporizao e

superaquecimento do fluido de trabalho (Quoilin et al, 2013).


8

Figura 2.2 Arranjo de um ciclo ORC com recuperador e pr-aquecedor (Esdmenergy, 2012).

1-Recuperador 5-Bomba de alimentao 9- Entrada gua condensador

2-Condensador 6- Pr-Aquecedor 10- Entrada fluido da fonte de calor

3-Turbina 7- Evaporado 11- Sada fluido da fonte de calor

4-Gerador Eltrico 8- Sada gua condensador

2.2.1.2 Condensador

um trocador de calor que transforma o vapor que deixa a turbina em lquido

saturado. Tipicamente a gua o fluido utilizado no condensador para resfriar o fluido do

ciclo e depois rejeita-la a uma temperatura elevada podendo ser futuramente reaproveitada.

2.2.1.3 Bomba

Componente do sistema que comprime o fluido de trabalho que sai do condensador at

alcanar a presso necessria antes de ser adicionado ao evaporador. Este equipamento

precisa de trabalho mecnico para seu funcionamento. A seleo da bomba para ciclos ORC

de baixa temperatura de grande importncia, pois um pequeno aumento nas

irreversibilidades deste componente pode causar uma grande diminuio da eficincia do

ciclo (Quoilin et al, 2013).

2.2.1.4 Mquina de expanso (turbina):

Componente responsvel pela transformao de energia trmica em energia mecnica.

Dependendo das condies de operao do sistema, se escolhe uma mquina que atinja o

melhor potencial de operao. Existem dos tipos de mquinas de expanso para ciclos ORC; o


9

tipo de deslocamento positivo e o tipo turbo. Para sistemas que vo fornecer baixa potncia

mais adequada a utilizao das turbinas de tipo deslocamento positivo, que se caracterizam

por apresentar menores vazes mssicas, ndices mais elevados de presso e velocidades de

rotao muito mais baixas que as de tipo turbo, estas ltimas so utilizadas em aplicaes de

maior potncia (Quoilin e Lemort, 2009).

Os tipos de mquina de deslocamento positivos mais conhecidos so as de pisto,

parafuso e scroll, mas ainda tm sido utilizadas para ORC como prottipos, enquanto as

turbomquinas (tipo turbo) para ORC so uma tecnologia mais desenvolvida. Na Figura 2.3

observam-se as faixas de potncia e funcionamento dos diferentes tipos de mquinas de

expanso para diferentes fontes de calor, como a energia geotrmica, energia solar e

aproveitamento de calor residual de algumas indstrias (WHR).

Figura 2.3 Relao de tipos de mquinas de expanso com potncia para diferentes fontes de

calor (Quoilin et al, 2013).

As maquinas de expanso de tipo turbo compreendem dois grandes grupos: turbina

axial e turbina radial. A turbina axial utilizada com fluidos de trabalho de elevado peso

molecular, para sistemas com elevada vazo e baixas diferenas de presses. A turbina radial

(Figura 2.4) trabalha para elevadas condies de presso e com baixa vazo do fluido de

trabalho e sua geometria permite uma maior queda da entalpia para cada etapa da turbina

(Quoilin et al, 2013).

A vazo do fluido na sada da turbina um dos parmetros mais importantes para o

dimensionamento da turbina e para estimar o custo do sistema. Por este motivo,


10

ocasionalmente prefervel utilizar fluidos que possam trabalhar com baixas vazes devido a

razes econmicas (Fankam et al, 2009).

Figura 2.4 Desenho 3D e fotografia de uma turbina radial (Kang, 2012).

2.2.2 Diferentes tipos de ciclo ORC (estrutura do ciclo - configurao)

O ciclo ORC pode ter uma disposio simples (Figura 2.5) e muito parecida

disposio de um ciclo Rankine convencional. As variaes da arquitetura do ciclo so muito

limitadas e se devem a:

A utilizao de um reaquecedor antes da turbina no necessria, pois a relao do

custo para sua colocao e eficincia no se mostram rentveis, e tambm porque se

necessrio, o fluido de trabalho pode ser aquecido no evaporador, antes de ingressar na

turbina.

O sangramento da turbina geralmente no adequado para a gerao de eletricidade

com um ciclo ORC, porque a turbina do ciclo tem um nmero pequeno de estgios. Pode

proporcionar o uso de somente um estgio de expanso na maioria dos casos, ao invs de

vrios estgios de expanso requeridos pelas instalaes a vapor de gua onde pode ser

realizado o sangramento da turbina (Larjola, 1995).

Uma alternativa seria a instalao de um recuperador para o pr-aquecimento do

lquido antes do ingresso no evaporador. O recuperador instalado entre a sada da bomba e a

sada da turbina, como mostra a Figura 2.6. Isto permite reduzir a quantidade de calor

necessria para a vaporizao do fluido de trabalho (Quoilin et al, 2013).


11

Figura 2.5 Ciclo ORC simples, esquema e diagrama T-S (Rayegan, 2011).

Figura 2.6 Ciclo ORC com recuperador, esquema e diagrama T-S (Rayegan, 2011).

2.2.3 Funcionamento de um ciclo ORC

O funcionamento do ciclo ORC similar ao ciclo Rankine convencional. O circuito

que realiza o fluido de trabalho em um ciclo ORC simples compreende: o fluido de trabalho

evaporado no evaporador com o calor obtido a partir da fonte renovvel (Figura 2.5, ponto 4-

1). O fluido realiza uma expanso dentro da turbina, (Figura 2.5, ponto 1- 2) que convertida

em trabalho mecnico por ao da turbina. Esse trabalho mecnico transformado em

eletricidade com um gerador acoplado turbina. Ao sair da turbina (Figura 2.5, ponto 2) o

fluido ingressa no condensador onde resfriado atravs da troca de calor com a gua de

resfriamento, at se obter lquido saturado (Figura 2.5, ponto 3). Uma vez em fase lquida o


12

fluido de trabalho encaminhado para a bomba responsavl para elevar a presso do lquido

(Figura 2.5, ponto 3 -4) e enviado ao evaporador, onde o ciclo reiniciado (Tchanche et al,

2009).

No ciclo com recuperador de calor (Figura 2.6) a diferena com o ciclo simples que

o fluido de trabalho aps sair da bomba (figura 2.6 ponto 4) ingressa no recuperador, onde

aumenta de temperatura, e na sada do recuperador esse fluido ingressa no evaporador (Figura

2.6 ponto 10) dando continuidade ao ciclo simples.

2.3 Fluidos Orgnicos

2.3.1 Caractersticas

A escolha do fluido de trabalho est relacionada com as suas propriedades

termodinmicas, que por sua vez afetam o rendimento do ciclo, devem ser utilizados

preferencialmente os fluidos de alta eficincia e com baixa perda de exergia.

Os fluidos orgnicos podem ser classificados em trs categorias: fluidos secos,

isentrpicos e midos, dependendo se a variao da temperatura respeito entropia (dT/dS)

positiva, infinita ou negativa, a Figura 2.7, apresenta diagramas T-s dos fluidos em questo.

Figura 2.7 Curvas dos distintos fluidos orgnicos, a) fluido seco, b) fluido mido, c) fluido

isentrpico (Nishith et al, 2009).


13

Os fluidos de trabalho mais apropriados para sistemas ORC so do tipo seco e

isentrpico, os quais durante a expanso da turbina sempre se localizaro na regio de vapor

superaquecido, eliminando dessa forma possveis problemas com as ps da turbina devido

presena de gotculas de lquido condensadas. Os fluidos midos como gua e a amnia,

devem ser superaquecidos antes da entrada na turbina para garantir que no estejam na fase

lquida e evitar problemas de funcionamento inapropriado da turbina (Nishith et al, 2009).

2.3.2 Seleo do fluido orgnico

Algumas das caractersticas relevantes do fluido que devem ser consideradas na sua

escolha so (Quoilin e Lemort, 2009):

1. Desempenho termodinmico: O rendimento e/ou potncia na turbina deve ser a maior

possvel para as temperaturas dadas da fonte quente e fonte fria. Isto geralmente

envolve o ponto crtico do fluido (tem que ser escolhido um fluido com um ponto

crtico adequado para as temperaturas de trabalho), calor latente (maior calor latente

proporciona maior eficincia de recuperao de calor).

2. Alta massa especfica de vapor: este parmetro fundamental, especialmente para os

fluidos com uma baixa presso de condensao (por exemplo, leos de siloxanos).

Baixa massa especfica conduz necessidade de uma turbina e de um condensador de

grandes dimenses.

3. Presses aceitveis: tal como acontece com a gua, elevadas presses levam

normalmente ao aumento dos custos de investimento e complexidade crescente. A

presso do vapor temperatura de condensao deve ser acima da presso atmosfrica

para prevenir a entrada de ar no sistema.

4. Estabilidade a elevadas temperaturas: os fluidos orgnicos geralmente sofrem

degradao qumica e decomposio a altas temperaturas, ao contrrio do que

acontece com a gua. A temperatura mxima da fonte de calor a que vai ser usada ,

portanto limitada pela estabilidade qumica do fluido de trabalho.

5. O ponto de congelamento deve ser inferior temperatura ambiente.

6. Baixo impacto ambiental e alto nvel de segurana: Levar em considerao o potencial

de destruio da camada de oznio, o potencial do efeito de estufa, a toxicidade e a

inflamabilidade.

7. Disponibilidade e baixo custo.


14

CAPTULO 3 - APLICAES PARA ENERGIAS RENOVVEIS

Neste captulo se apresentam as trs energias renovveis que vo ser utilizadas na

anlise termodinmica. Estas energias so a geotrmica, solar e biomassa. Descreve-se o

aproveitamento de cada uma delas assim como suas vantagens e potencial.

3.1 Energia Geotrmica

Pode ser encontrada em qualquer lugar do planeta, contudo, as fontes de alta

temperatura necessrias para fazer funcionar as estaes de produo de energia encontram-se

em poucos locais.

No subsolo terrestre a temperatura aumenta em mdia na ordem dos 25 C/km, sendo a

maior temperatura localizada no ncleo da terra (4000 C). A temperatura da lava vulcnica

aproxima-se a valores de 1200 C e a das guas termais em reservatrios no subsolo podem

atingir os 350 C. O calor das camadas mais profundas transportado atravs de rochas para

camadas superficiais da Terra. Se a temperatura do subsolo exceder 150 C a no muita

profundidade podem ser construdas centrais termoeltricas, e se a temperatura est entre 100

e 150 C podem ser operadas centrais de ciclo binrio com fluido orgnico (Liptk, 2009).

3.1.1 Aplicaes

A energia geotrmica pode ser aproveitada para aplicaes diretas ou para a gerao

de eletricidade

a. Aplicaes diretas:

A abundncia de fluidos hidrotermais de meia e baixa temperatura (abaixo dos 150 C)

permite que estes possam ser usados como fontes para fins de aquecimento do ambiente ou da

gua em processos industriais assim como na agricultura. Atualmente estima-se uma

capacidade trmica instalada em todo o mundo da ordem dos 28000 MW (Fridleifsson et al,

2008).


15

Na Figura 3.1 mostra-se o funcionamento de aquecimento do espao interno em uma

residncia. Pelos poos geotrmicos circula um fluido que aquecido pela fonte geotrmica,

depois este fluido levado a um acumulador pela ao de uma bomba. Este calor utilizado

para aquecer uma residncia.

Figura 3.1 Aquecimento do ambiento com energia geotrmica (MBQ Group, 2012).

b. Gerao de eletricidade:

Como os recursos geotrmicos so relativamente constantes, isto , no sofrem

flutuaes sazonais ou dirias, podem ser usados como base para produo de energia. Na

Figura 3.2 mostra-se a capacidade instalada de produo de eletricidade a partir de energia

geotrmica em diferentes pases no ano 2010, e na Tabela 1.1, a evoluo que a produo de

eletricidade obteve ao longo dos anos. Mostrando que os Estados Unidos e Filipinas so os

pases que mais eletricidade produz mediante a utilizao da energia geotrmica e que na

Amrica do Sul no existe centrais geotrmicas para a produo de eletricidade ainda.


16

Figura 3.2 Capacidade instalada de produo de eletricidade a partir das fontes geotrmicas

em 2010 na Terra (Bertani, 2012).

Tabela 3.1 Evoluo da capacidade instalada de produo de eletricidade por pases.


17

Existem vrios processos de converso dos recursos geotrmicos em energia para

gerao de eletricidade, os denominados sistemas tradicionais; vapor seco e vapor flash,

utilizados em energia geotrmica de alta temperatura (T>150C). Outro processo so as

centrais de ciclo combinado. A Figura 3.3 mostra o esquema de funcionamento deles

(Agencia internacional de Energia, 2011).

As centrais de vapor seco so usadas para produzir energia a partir de reservatrios

de vapor, devendo ser construdas em locais onde as principais caractersticas seja a presena

de jatos de vapor. O poo de produo captura o vapor pressurizado que emana do solo, antes

limpado para remover possveis resduos slidos, e injetado diretamente na turbina de vapor.

J as centrais vapor flash so utilizadas para produo de energia a partir de

reservatrios de guas subterrneas altas presses e suficientemente quente (tipicamente

acima dos 200C). A gua extrada dos reservatrios pela ao de uma bomba e conduzida a

um tanque onde feita uma diminuio sbita da presso, obtendo-se vapor de gua, ou

flash. Este vapor ingressa na turbina para produzir eletricidade e depois da expanso na

turbina a gua injetada novamente para os reservatrios.

Figura 3.3 Esquema de funcionamento das diferentes centrais geotrmicas (Energiandina,

2013).


18

Os ciclos binrios, que trabalham com um ciclo ORC, so apropriados para funcionar

com reservatrios de lquido que no so suficientemente quentes para funcionar em centrais

vapor flash e funcionam como uma fonte geotrmica de temperaturas mdias

(100C


19

Figura 3.5 Central Granja Empire de ciclo binrio (3,6MW)(Estados Unidos) (Orche, 2010).

Outro exemplo para a obteno de energia geotrmica atravs da utilizao de rochas

quentes e secas (Hot Dry Rocks - HDR). O funcionamento deste sistema consiste em perfurar

o solo at uma camada de rochas de alta temperatura, que so quebradas. Pelas fissuras feitas

nestas rochas se injeta gua que vai se infiltrando pelas rachaduras at que evapore; este vapor

coletado pelo poo de produo e usado para gerao de eletricidade. Este sistema ainda

est sendo desenvolvido por alguns pases da Europa, por enquanto economicamente

invivel (Ab et al 1999).

Figura 3.6 Esquema de uma planta geotrmica (Universohumano, 2013).


20

Na Tabela 3.2 pode-se observar que apesar das centrais de ciclo binrio no

fornecerem muita potncia so as que mais tm sido construdas, devido o seu baixo custo de

investimento comparado com as outras tecnologias (Orche, 1010).

Tabela 3.2 Distribuio das centrais geotrmicas por tecnologias (Orche, 2010).

3.1.2 Vantagens e desvantagens da energia geotrmica

Vantagens

uma fonte de energia local, podendo ser explorada no prprio lugar em quaisquer

condies atmosfricas, ao contrrio de outras fontes renovveis (elica e solar), evitando o

uso de combustveis fsseis. No necessita de armazenamento e transporte logstico do

combustvel para seu funcionamento. Os custos na produo de energia utilizando fontes

geotrmicas so menores que para usinas de carvo ou nucleares. A energia geotrmica mais

abundante que o petrleo e que os outros combustveis fsseis.

As emisses de uma instalao geotrmica moderna so em mdia de 135 g/kWh de

CO2 e assim inferiores aos valores das emisses das instalaes a gs natural e carvo, de 450

e 1050 g/kWh respectivamente (Ungemach, 2002).

Em alguns pases a utilizao da energia geotrmica evitaria depender energeticamente

de outros pases.

Desvantagens

Embora seja muito mais abundante do que o petrleo e outros combustveis, os "hot

spots" (pontos quentes de aproveitamento de energia geotrmica) no so muitos e incapazes


21

de justificar um investimento em usinas de energia. Se os hot spots no for bem

administrada pode ser esgotado rapidamente. O custo ambiental pode ser elevado se nas reas

aonde se encontram os hot spots foram destrudas florestas e outros ecossistemas para

instalao destas usinas. Outro inconveniente que os sistemas at agora no foram

desenvolvidos para distribuir a energia produzida por este meio (Barbier, 2002).

3.1.3 Potencial da energia geotrmica

A obteno de eletricidade a partir da energia geotrmica est em grande crescimento.

Na Europa, o potencial para fontes de baixa temperatura elevado (Tabela 1.3), esta faixa de

temperatura de 65 C at 120 C. O maior potencial para a obteno de eletricidade para

altas temperaturas, mas para chegar s camadas do subsolo onde se encontram estas

temperaturas pode significar um grande investimento inicial (Quoilin, et al, 2013).

Tabela 3.3 Potencial da energia geotrmica na Europa para diferentes faixas de temperatura

(Quoilin et al, 2013).

Temperatura MWTh MWe

65 90 147736 10642

90 120 75421 7503

120 150 22819 1268

150 225 42703 4745

225 350 66897 11150

No Brasil foram realizados estudos geolgicos para determinar possveis fontes de

calor que mostraram que na Bacia do Paran e So Francisco (Figura 3.7) existe um nmero

significativo de fontes geotrmicas de baixas temperaturas de at 100C (Hamza et al, 2010).

A maior parte do potencial de energia geotrmica focada em fontes de baixas

temperaturas, onde os ciclos ORC so a melhor opo para gerao de eletricidade. Na

Europa e no Brasil, ainda necessrio o aperfeioamento dos ciclos para a obteno de

eletricidade a partir dessas fontes.


22

Figura 3.7. Possveis fontes geotrmicas no Brasil

3.2 Energia Solar

A luz solar fornece energia trmica sob a forma de radiao na Terra. Este fluxo solar,

chamado irradiao, na superfcie terrestre tem um valor aproximadamente de 750 W/m2

(Gang e Jing, 2010). Apesar da grande quantidade de energia solar disponvel, a eletricidade

no mundo gerado a partir do recurso solar uma frao bem pequena do consumo de energia

total. A distribuio de energia solar na Terra pode ser visualizada na Figura 3.8.

Figura 3.8 Distribuio da irradiao solar na Terra (EZ2C, 2010)


23

Os crculos pretos mostram as reas de insolao que podem prover mais do que a

demanda total de energia primria do mundo (assumindo uma eficincia de converso de 8%).

Por energia primria entenda-se como toda a energia consumida, incluindo, calorfica,

eletricidade, combustveis fsseis, etc. Todas estas energias podem ser produzidas na forma

de eletricidade atravs de clulas solares. As cores mostram uma mdia de trs anos de

irradincia solar, incluindo noites e cobertura de nuvens (EZ2C, 2010).

Para a converso desta energia em eletricidade existem duas rotas tecnolgicas:

Energia Solar fotovoltaica e Energia Solar Trmica.

3.2.1 Tecnologia fotovoltaica (FV)

Envolve o uso de semicondutores para gerar eletricidade atravs do efeito fotoeltrico.

Os painis fotovoltaicos esto constitudos de clulas fotovoltaicas de silcio, fosforo, etc,

classificadas em funo da estrutura cristalina do semicondutor em monocristalino,

policristalino ou amorfo (Barlev et al, 2011). As clulas de silcio monocristalinas so as mais

usadas comercialmente, apresentam os maiores custos e as eficincias mais elevadas, 14-20%;

as policristalinas tm uma eficincia entre 12-17% e as clulas manufaturadas de silcio

amorfo atingem menos de 10%, porm so as que apresentam custos menores (Quaschning,

2004). Os detalhes das diferentes tecnologias podem ser observados nas Figuras 3.9, 3.10

aonde se apresentam os tipos de painis da Planta Solar Fotovoltaica de 1,2 MW de Tudela,

Espanha.

Figura 3.9. Painel de Silcio policristalino (a) e Silcio monocristalino (b)


24

Figura 3.10 Painel de Silcio amorfo

Para saber a eletricidade que pode gerar um painel fotovoltaico, utiliza-se o parmetro

de potncia pico (Wp), que a sada eltrica mxima sob condies padronizadas:

temperatura ambiente de 25 e 1000 W/m2 de irradiao (REN21, 2012).

Apresenta-sena Tabela 1.4 os diferentes painis desta planta solar. Os painis de

Silcio amorfo mostram sempre menor potncia pico que os painis de Silcio monocristalino

e policristalino. Os painis monocristalinos e policristalinos podem gerar a mesma potncia

pico por que s vezes possuem a mesma eficincia, mas na maioria dos casos os painis

monocristalinos possuem maior potncia pico.

Tabela 3.4 Tipos de painis da planta solar de Tudela


25

Para o melhor aproveitamento desta tecnologia devem estar presentes fatores como a

temperatura e o posicionamento dos painis solares especficos. Elevados valores de

temperatura da clula reduzem a tenso e aumentam proporcionalmente a corrente eltrica,

diminuindo assim, a potncia gerada pelo sistema. O posicionamento tambm tem uma

importncia elevada, j que a eficincia da energia solar coletada pelos painis fotovoltaicos

depender que este esteja em correto funcionamento. O coletor deve estar inclinado para o

lado oposto ao hemisfrio onde ele se encontra, e o ngulo de elevao estabelecido em

funo da latitude de sua localizao (Rayegan, 2011).

A gerao de eletricidade pela tecnologia FV em corrente contnua e para ser

utilizada pelos componentes eletrnicos necessrio um inversor para transform-la em

corrente alternada. Estes sistemas tambm precisam de uma bateria, para acumular a energia

gerada pelos painis. A disposio deste sistema se visualiza na Figura 3.11.

Figura 3.11 Disposio de um sistema FV (Fundeca, 2013).

Os custos deste sistema incluem o inversor, sistema de armazenamento e sistema de

controle dos painis solares (Figura 3.12). Os preos destes ltimos tm decrescido nos

ltimos anos, atingindo um valor de 0,74 $/Wp em 2013 (REN21, 2012).


26

Figura 3.12 Preo das clulas fotovoltaicas de silcio cristalino (em $/Wp) (REN21, 2012).

3.2.2 Energia termo solar

Consiste em uma tecnologia de concentrao de energia solar (CSP) que utiliza

captadores solares trmicos para concentrar a irradiao do sol em um coletor solar que pode

ser linear ou pontual, por onde circula o fluido que aquecido. Os captadores mais utilizados

so; os concentradores parablicos, os concentradores lineais, os sistemas de recepo central

(torre), e os discos parablicos (Figura 3.13).

Os sistemas de recepo central e os discos parablicos so sistemas que atingem um

fator de concentrao e temperaturas muito maiores que os concentradores lineais ou

parablicos, por isso podem ser usados com um ciclo de vapor convencional.

Para concentradores lineais e parablicos as temperaturas atingidas so menores, entre

100-300C, podendo classificar estes sistemas como ciclos de baixa ou mdia temperatura,

sendo mais bem aproveitados trabalhando com ciclos ORC. O funcionamento desta

tecnologia ocorre da seguinte forma: primeiramente preciso capturar e concentrar a luz

solar, ou energia solar trmica, empregando diferentes lentes ou espelhos (painis), que

concentram a luz em uma pequena rea. Se os captadores so concentradores parablicos ou

lineais, a energia concentrada em um duto por onde circula o fluido que ir ser aquecido. O

fluido pode alcanar temperaturas de 150 C, e ser levado ao evaporador onde cede calor ao

fluido orgnico de trabalho do ciclo ORC.


27

Figura 3.13 Configuraes de plantas solar trmicas (IDAE,2011)

Uma vez o fluido orgnico em estado gasoso, ele levado uma mquina de

expanso, que far a converso da energia trmica em mecnica e esta se converte em energia

eltrica atravs de um gerador (Wu, 2007). Neste circuito distinguiram-se trs grandes

componentes: as mquinas que capturam e concentram a luz solar, o circuito ORC e o gerador

da eletricidade (Figura 3.14) (Gang et al, 2010).

Esses sistemas so utilizados geralmente para gerar pequenas potncias eltricas entre

1-10 kWe e so de pequena escala. Podem ser utilizados em lugares isolados de pases em

desenvolvimento.


28

Figura 3.14 Esquema de um ciclo ORC para uma fonte solar

Na Figura 3.15 pode ser identificado um sistema de 1 kW com concentradores

parablicos e ciclo ORC, instalado em Lesotho, no sul da frica. Esta configurao foi feita

para substituir o gerador a Diesel. O custo da potncia do sistema com concentradores

parablicos (~0.12$/kWh) menor que do Diesel (~0.30$/kWh) (Quoilin et al, 2008).

Figura 3.15 Sistema solar com ciclo ORC em Lesotho, sul da frica(1 kW).

O rendimento total desta tecnologia depende do rendimento dos coletores e do ciclo

ORC. O rendimento dos coletores depende da temperatura atingida por estes; quanto maior a


29

temperatura do coletor, menor o rendimento do mesmo, pois ocorrem perdas de calor com o

ambiente. Deve ser levado em considerao, que com temperaturas elevadas do coletor

aumentam o rendimento da mquina trmica (Figura 3.16). O rendimento total geralmente

atinge valores entre 7 9 % (Gang et al, 2010).

Figura 3.16 Relao entre a eficincia do coletor e do ORC (Quoilin e Lemort, 2009).

3.2.3 Vantagens e desvantagens da energia solar

Vantagens:

A energia solar no polui durante o seu uso. As centrais necessitam de manuteno

mnima. Os painis solares so cada dia mais eficientes, ao mesmo tempo em que o custo vai

diminuindo. A energia solar excelente em lugares remotos ou de difcil acesso.

Desvantagens:

Durante a noite no existe produo. Locais em latitudes mdias e altas sofrem quedas

bruscas de produo durante os meses de inverno. As formas de armazenamento da energia

solar so pouco eficientes quando comparadas, por exemplo, aos combustveis fsseis.

3.3 Biomassa

A biomassa um recurso de energia renovvel perfeitamente adaptado produo

combinada de energia sob a forma de calor e eletricidade (cogerao ou CHP (Combined Heat

and Power)) em pequena escala. Esta uma importante forma de gerar energia de forma


30

descentralizada, que por razes inerentes baixa densidade do recurso, impossibilita o

transporte a grandes distncias. Em tais instalaes o ciclo de Rankine convencional deixa de

ser economicamente exequvel, o que faz do ciclo de Rankine orgnico a soluo ideal para

estes sistemas. Outra opo de obter eletricidade a partir de biomassa a gasificao de

biomassa de grande e pequeno porte (McKendry, 2001).

3.3.1 Obteno da biomassa

A biomassa pode ser obtida a partir de uma extensa variedade de fontes como de

processos industriais (indstria madeireira), resduos agrcolas, resduos urbanos, etc, e

existem tambm culturas dedicadas cultivos energticos de diferentes vegetais visando sua

transformao em energia (eucalipto). Para conseguir eletricidade a partir destes produtos

primeiramente deve ser realizado um processo de converso termoqumico que pode ser uma

simples combusto para obteno de energia trmica, at processos fsico-qumicos e

bioqumicos mais complexos para a obteno de combustveis lquidos e gasosos (Figura

3.17) (Ministrio de Minas e Energia, Secretaria de Planejamento e Desenvolvimento

Energtico, 2007-2008).

Figura 3.17 Diagrama dos processos de converso energtica da biomassa (ANEEL, 2002 ).


31

3.3.2 Ciclo de cogerao ou CHP

O processo de combusto fornece energia trmica que utilizada para gerar

eletricidade com o ciclo termodinmico ORC (Figura 3.18).

De forma esquemtica, no ORC existem dois ciclos, o ciclo do fluido aquecido, neste

caso, pela combusto da biomassa na caldeira, e o ciclo do fluido de trabalho. O calor gerado

na caldeira absorvido por um leo sinttico intermedirio, tipicamente a 300C, que

enviado ao evaporador, onde o calor trocado com fluido de trabalho, aquecendo-o e

evaporando-o. Uma vez evaporado, expandido na turbina produzindo um trabalho mecnico

que transformado em eletricidade atravs do acoplamento a um gerador. O vapor do fluido

entra posteriormente em um regenerador e em um condensador. Uma vez em fase lquida, o

fluido de trabalho bombeado para ingressar no regenerador, ganhando temperatura e

finalmente entra no evaporador para comear o ciclo novamente. Por outro lado, os gases

quentes da fornalha podem ser usados para pr-aquecer o ar de combusto e para gerar mais

potncia trmica no processo (Carrara, 2010).

Figura 3.18 Esquema do ciclo ORC para uma fonte de biomassa (Obernberger et al ,2002).

A produo de eletricidade em processos que trabalham com biomassa e com ciclos

ORC tem uma faixa de potncia de 300 kW a 2MWe, e so considerados de pequena escala,


32

tendo aproximadamente 18% da produo de calor transformada em eletricidade (eficincia

eltrica de 18%).

O condensador aproveita 70% do calor gerado pela combusto de biomassa para

resfriar com gua o fluido orgnico que ingressa a uma temperatura aproximada de 90 C.

Esta gua aquecida pode ser utilizada para outros processos, como por exemplo, processos

industriais (secagem da madeira) ou calefao em edifcios (District Heating), o que faz com

que a eficincia global

pfc gonzalo lopez-abente munoz

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