projeto 5kw biomassa gaseificação
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PROJETO DE GRADUAO
Projeto e Avaliao de uma Central de Gerao Eltrica de 5 kW por Gaseificao de
Biomassa
Por, Alexandre Caires Rodrigues
Braslia, 20 de novembro de 2008
UNIVERSIDADE DE BRASLIA
FACULDADE DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECNICA
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UNIVERSIDADE DE BRASILIA
Faculdade de Tecnologia
Departamento de Engenharia Mecnica
PROJETO DE GRADUAO
Projeto e Avaliao de uma Central de Gerao Eltrica de 5 kW por Gaseificao de
Biomassa
POR,
Alexandre Caires Rodrigues
Relatrio submetido como requisito parcial para obteno
do grau de Engenheiro Mecnico.
Banca Examinadora
Prof. Dr. Carlos Alberto Gurgel Veras, UnB/ ENM
(Orientador)
Prof. Dr. Armando Caldeira Pires, UnB/ENM
Prof. Dr. Fbio Alfaia da Cunha, UnB/ENM
Braslia, 20 de novembro de 2008
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Dedicatria
Aos meus amados pais Delson e Zilma, e
irmos Letcia, Luciene e Fbio, pelo amor
incondicional, a forte base de valores
plantada em meu corao e todo o suor e
sangue derramados.
Alexandre Caires Rodrigues
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Agradecimentos
Ao meu caro professor Gurgel, por me mostrar a beleza da engenharia mecnica com empolgao,
pacincia e, sobretudo, pela confiana em mim depositada. Ao professor Jorge, pelo auxlio
acadmico. minha segunda famlia Raquel, Napoleo, Gabriela, Jorge, Joo, Daniel, Amanda,
Danilo e minha querida Eline.
A todos, meus mais profundos e sinceros agradecimentos.
Alexandre Caires Rodrigues
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O muro entre a arte e a engenharia existe apenas em nossas mentes.
Theo Jansen
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RESUMO
O presente trabalho avalia a viabilidade de uma central de gerao de energia eltrica de 5 kW para
comunidades isoladas no Brasil com o uso de um sistema de gaseificao de biomassa do tipo
estratificado downdraft associado a um grupo motogerador diesel, visando reduzir o consumo de
leo.
ABSTRACT
This text evaluate the viability of a 5kW electric generation plant for Brazilian isolated
communities using a downdraft biomass gasification system associated with a diesel engine generator,
seeking for a reduction on a oil consumption.
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SUMRIO
1 INTRODUO ............................................................................................................... 14
1.1 ENERGIA: BREVE HISTRICO E CENRIO ATUAL ....................................................................... 14
1.2 POTENCIAL ENERGTICO DA BIOMASSA ..................................................................................... 17
1.3 ELETRIFICAO DE COMUNIDADES ISOLADAS .......................................................................... 20
1.4 ESTADO DA ARTE DA GASEIFICAO DOWNDRAFT DE PEQUENO PORTE .......................... 22
1.5 MOTIVAO E OBJETIVOS ............................................................................................................. 25
2 FUNDAMENTAO TERICA ................................................................................. 26
2.1 PRINCPIOS DA GASEIFICAO DE BIOMASSA ........................................................................... 26
2.2 TIPOS DE GASEIFICADORES .......................................................................................................... 27
2.2.1. GASEIFICADORES DE LEITO FLUIDIZADO ............................................................................... 28
2.2.2. GASEIFICADORES DE LEITO FIXO .............................................................................................. 29
2.3 TECNOLOGIA DE GASEIFICADOR DOWNDRAFT ESTRATIFICADO ............................................ 30
2.4 MOTOR CICLO DIESEL .................................................................................................................... 32
2.4.1. O CCLO DIESEL .............................................................................................................................. 32
2.5 BIOMASSA COMO COMBUSTVEL DE GASEIFICAO ................................................................ 33
2.5.1. PODER CALORFICO SUPERIOR E INFERIOR ............................................................................ 33
2.5.2. TEOR DE UMIDADE ........................................................................................................................ 34
2.5.3. CONSTITUIO QUMICA ............................................................................................................. 34
2.5.4. MASSA ESPECFICA ........................................................................................................................ 34
2.5.5. TEOR DE CINZAS ............................................................................................................................. 34
2.5.6. GEOMETRIA ..................................................................................................................................... 34
2.5.7. ACESSIBILIDADE ............................................................................................................................ 34
2.6 COMPARAO COM OUTRAS TECNOLOGIAS .............................................................................. 36
2.6.1. PEQUENAS CENTRAIS TERMELTRICAS A BIOMASSA ......................................................... 36
2.6.2. PAINIS FOTOVOLTAICOS ............................................................................................................ 37
3 BANCADA EXPERIMENTAL E METODOLOGIA ..................................................... 38
3.1 FLUXOGRAMA DO PROCESSO DE GERAO DE ENERGIA ELTRICA .................................... 38
3.2 SISTEMA DE GASEIFICAO DE BIOMASSA ................................................................................ 38
3.2.1. REATOR ............................................................................................................................................. 39
3.2.2. SISTEMA DE TRATAMENTO DE GASES...................................................................................... 39
3.3 GRUPO MOTO-GERADOR ............................................................................................................... 41
3.3.1. O MOTOR .......................................................................................................................................... 41
3.3.2. GERADOR ELTRICO ..................................................................................................................... 43
3.4 BANCO DE RESISTNCIAS ............................................................................................................. 43
3.5 QUADRO DE AQUISIO DE DADOS ............................................................................................. 43
3.6 AFERIO DO CONSUMO DE LEO DIESEL ................................................................................ 44
3.7 PLANTA INSTALADA EM CAMPO .................................................................................................... 45
3.7.1. UNIDADE CONSUMIDORA ............................................................................................................ 47
3.7.2. SISTEMA DE GASEIFICAO INSTALADO NO CAMPO .......................................................... 48
3.8 METODOLOGIA ................................................................................................................................. 49
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4 RESULTADOS ........................................................................................................... 50
4.1 RESULTADOS LABORATORIAIS ..................................................................................................... 50
4.2 CURVAS DE CONSUMO E DESEMPENHO ..................................................................................... 51
4.3 AVALIAO DO SISTEMA INSTALADO EM CAMPO ...................................................................... 53
5 CONCLUSES .......................................................................................................... 55
5.1 CONCLUSES .................................................................................................................................. 55
6 REFENCIAS BIBLIOGRFICAS ............................................................................ 56
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LISTA DE FIGURAS
1.1 Oferta de oferta de energia por fonte. Fonte: Balano Energtico Anual (BEN). . 15
1.2 Pases produtores de petrleo. Fonte: Agncia de dados oficiais de energia dos
Estados Unidos (EIA). ......................................................................................... 16
1.3 Pases produtores de petrleo. Fonte: Agncia de dados oficiais de energia dos
Estados Unidos (EIA). ......................................................................................... 16
1.4 Potencial de gerao de energia eltrica atravs do aproveitamento de resduos de
madeira (GWh/ano). Fonte: CENBIO 2000. ........................................................... 17
1.5 Potencial de gerao de energia eltrica atravs do aproveitamento de resduos
agrcolas (GWh/ano). Fonte: CENBIO 2000. ........................................................... 17
1.6 Taxa de eletrificao residencial proporo de domiclios eletrificados em 1991.
Fonte: ANEEL, 1991 ........................................................................................... 19
1.7 Nmero de citaes no Chemical Abstract referente gaseificao de biomassa.
Fonte: FAO (1986) ............................................................................................. 23
2.1 Esquema geral de um sistema de gaseificao de biomassa ........................... 26
2.2 Esquema de um gaseificador de leito fluidizado ............................................ 28
2.3 Esquema de um gaseificador tipo updraft..................................................... 29
2.4 Esquema de um gaseificador tipo downdraft................................................. 30
2.5 Zonas de reao em um reator tipo downdraft.............................................. 31
2.6 Diagrama P-v do ciclo Diesel....................................................................... 33
2.7 Fases do ciclo em um motor Diesel. Fonte: Site Sala de Fsica......................... 33
2.8 Serraria Imperial, rodovia BR 020 km 01 na Vila Rosrio no municpio de
Correntina-BA.................................................................................................... 35
2.9 Montanha de resduos provenientes do processo de corte e preparo do pinus... 35
2.10 Toras de madeiras cortadas...................................................................... 36
2.11 Diagrama esquemtico dos processos de converso energtica da biomassa.
Fonte: MME, 1982.............................................................................................. 36
3.1 Componentes do sistema de gerao de energia eltrica por gaseificao de
biomassa.......................................................................................................... 39
3.2 Sistema de gaseificao de biomassa downdraft estratificado montado em
laboratrio......................................................................................................... 38
3.3 Reator de combusto................................................................................. 40
3.4 Separador centrfugo (ciclone).................................................................... 41
3.5 Trocador de calor...................................................................................... 41
3.6 Filtro de caroo de aa.............................................................................. 42
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3.7 Interior do filtro com aa........................................................................... 42
3.8 Moto-gerador instalado em seu local de ensaios............................................ 43
3.9 Quadro eltrico do gerador......................................................................... 44
3.10 Quadro de comando de carga e medidor polifsico ...................................... 45
3.11 Reservatrio de leo sobre balana digital ................................................. 45
3.12 Comunidade Veredo ou Veredozinho. Fonte: INPE.................................... 46
3.13 da regio do Veredozinho. Fonte: INPE..................................................... 47
3.14 Passivo ambiental gerado por serrarias nas proximidades de Veredozinho..... 48
3.15 Casa da Dona Helena, matriarca da comunidade Veredozinho...................... 48
3.16 Sistema de gaseificao instalado em campo.............................................. 49
4.1 Curva de consumo de leo diesel ............................................................... 53
4.2 Curva de consumo de leo de macaba ...................................................... 53
4.3 Curva de consumo de leo de macaba com auxlio de gs de macaba ......... 54
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LISTA DE TABELAS
1.1 Consumo mundial de energia primria (1995 Mtep). Fonte: IEA, 1998........... 18
1.2 Indicadores socioeconmicos e demogrficos Brasil e suas regies. Fonte: Atlas
de energia eltrica do Brasil ANEEL, 2002........................................................... 20
3.1 Caracterizao da unidade consumidora....................................................... 46
4.1 Dados obtidos utilizando-se apenas leo Diesel............................................. 51
4.2 Dados obtidos utilizando-se leo da amndoa de macaba ............................ 52
4.3 Dados obtidos utilizando-se leo de macaba e gs de sntese de macaba .... 52
4.4 Roteiro de avaliao qualitativa de sistemas de gaseificao de biomassa ........ 55
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LISTA DE SMBOLOS
Smbolos Latinos
A rea [m2]
m Massa [kg]
m Vazo mssica [kg/s]
T Temperatura [oC]
t Tempo [s]
p Presso [Pa]
v Volume [m3]
W Trabalho [J]
P Potncia [W]
U Tenso eltrica [V]
I Corrente eltrica [A]
f Freqncia [Hz]
E Energia [J]
e Erro
Cdiesel Energia gerada por litro de diesel [kWh/l]
C Carbono
H Hidrognio
O Oxignio
N Nitrognio
Smbolos Gregos
Variao entre duas grandezas similares
Massa especfica [m3/kg]
Somatria
Subscritos
el eltrica
i fases R, S ou T
th trmico
Sobrescritos
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Variao temporal
Siglas
BEN Balano Energtico Nacional
EIA Agncia de dados oficiais de energia dos Estados Unidos
MME Ministrio de Minas e Energia do Governo brasileiro
USA Estados Unidos da Amrica do Norte
OPEP Organizao dos Pases Exportadores de Petrleo
ANEEL Agncia Nacional de Energia Eltrica
CENBIO Centro Nacional de Referncia em Biomassa
IDH ndice de Desenvolvimento Humano
CCC Conta de Consumo de Combustvel
IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatstica
ABRADEE Associao Brasileira de Distribuidoras de Energia Eltrica
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1 INTRODUO
Este captulo apresenta um breve histrico sobre a
relao humana com a energia traando um
panorama energtico mundial e local focando-se nas
comunidades isoladas existentes no Brasil. Ser feito
ainda neste captulo, um levantamento do estado da
arte da tecnologia de gaseificao de biomassa para
gerao de energia em centrais de at 5 kW, a qual
ser o objetivo deste trabalho.
1.1 ENERGIA: BREVE HISTRICO E CENRIO ATUAL
A energia um elemento essencial existncia da vida. O desenvolvimento da espcie humana est
intrinsecamente ligado sua capacidade de obteno e armazenamento de energia, seja esta
nutricional, trmica ou mecnica. A disponibilidade de energia tem sido atravs da histria da
humanidade, o fator decisivo para a sobrevivncia das civilizaes. O antigo Egito sob os Faras, a
Grcia sob a democracia e o Brasil Imperial tiveram no brao escravo a sua principal fonte de energia
(Wilolrich, 1978). Tal cenrio viria a mudar com a Revoluo Industrial, onde a viso mecanicista do
mundo baseada no pensamento de Francis Bacon, Ren Descartes e Isaac Newton, acompanhada de
avanos tecnolgicos tais como a mquina a vapor aperfeioada por James Watt em 1765 e,
posteriormente, os motores de combusto interna desenvolvidos por Otto, Daimler e Diesel;
aumentariam consideravelmente a demanda por energia. Estima-se que nas primeiras duas dcadas do
sculo XX a humanidade consumiu mais energia do que havia feito em todos os sculos anteriores de
sua existncia (Baumol, 1989). Nos dias atuais, em decorrncia de diversos fatores tais como
alteraes climticas em escala global e iminente fim das reservas de combustveis minerais
conhecidas, o mundo volta-se procura de formas mais limpas e renovveis de recursos energticos.
A palavra energia tem sua etimologia no vocbulo grego ergos, que significa trabalho. um ente
da natureza assim como massa e fora, de difcil definio. A nica forma de mesur-la quando em
transformao e por no possuir unidades fsicas prprias medida por unidades de trabalho que pode
ser realizado. Dessa forma, define-se energia como a capacidade de um determinado sistema de
realizar trabalho (Rodrigues, 1975). Termodinamicamente, a energia apresenta-se em vrias formas
tais como mecnica, trmica, eltrica, nuclear, potencial e qumica, sendo todas elas regidas por umas
das mais importantes leis naturais: o princpio da conservao da energia, o qual reza que a energia
pode mudar de uma forma para outra, porm, seu montante final permanece constante (engel &
Boles, 1998).
Na natureza encontram-se diversos tipos de recursos energticos. Historicamente, o homem valeu-
se num primeiro momento da lenha, material que, durante dezenas de milnios, permaneceu uma fonte
de energia trmica e luminosa insubstituvel (Hmery, Debeir, & Delage, 2007). Com o aumento do
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desenvolvimento tecnolgico e o conseqente aumento da demanda energtica, outras fontes de
energia passaram a ser utilizadas tais como o carvo mineral, gs natural, petrleo, hidrulica e outras.
A Figura (1.1) mostra a matriz energtica mundial por fontes para o ano de 1973. Pode-se observar
que o petrleo j ocupava uma posio hegemnica em relao s outras fontes de energia dada sua
facilidade em ser estocado e seu imediato uso, sendo seguido pelo carvo mineral.
Figura.1.1 - Oferta de oferta de energia por fonte. Fonte: Balano Energtico Anual (BEN).
O petrleo, assim como as outras fontes de energia primrias no renovveis, apresenta-se
geograficamente mal distribudo. Seus maiores produtores so a Arbia Saudita, Rssia e os EUA,
respectivamente (Fig. 1.2). O consumo tambm bastante desigual no que tange esta fonte de energia.
Os maiores consumidores so EUA, Repblica Popular da China, Japo, Rssia e Alemanha, nesta
ordem (Fig. 1.3).
1973
Petrleo
46,2%
Hidrulica
1,8%
Gs Natural
16,0%
Nuclear
0,9%
Fontes
Renovveis
10,6%
Outras
0,1%
Carvo
Mineral
24,4%
6.128 106 tep
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Figura 1.2 - Pases produtores de petrleo. Fonte: Agncia de dados oficiais de energia dos Estados Unidos (EIA).
Figura 1.3 - Pases produtores de petrleo. Fonte: Agncia de dados oficiais de energia dos Estados Unidos (EIA).
Aps as crises do petrleo em 1973 e 1979 o mundo, que at ento pagava US$ 1,71 pelo barril,
viu-se obrigado a pagar o equivalente a US$ 11,65, representando um aumento de 300%. Desde ento
o preo do barril de petrleo iniciou sua escalada chegando a ser cotado a mais de US$ 100,00.
Os combustveis fsseis, por serem constitudos na sua maioria de hidrocarbonetos alifticos,
alicclicos e aromticos contendo ainda quantidades pequenas de nitrognio (N), oxignio (O),
compostos de enxofre (S) e ons metlicos, principalmente de nquel (Ni) e vandio (V), geram como
United States; 20,687
China; 7,201Japan; 5,159
Russia; 2,811
Germany; 2,665
India; 2,572
Canada; 2,264
Brazil; 2,217
Korea, South; 2,174
Saudi Arabia; 2,139
Mexico; 1,997
France; 1,961
United Kingdom; 1,83 Italy; 1,732
Iran; 1,686
United States;
20,687
China;
7,201Japan;
5,159
Russia; 2,811
Germany; 2,665
India;
2,572
Canada;
2,264
Brazil;
2,217
Korea, South;
2,174
Saudi
Arabia;
2,139
Mexico;
1,997
France;
1,961
United
Kingdom;
1,83
Italy; 1,732
Iran; 1,686
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produtos de sua combusto quantidades considerveis de dixido de carbono (CO2) e outros poluentes
em menor proporo, tais como os xidos de nitrognio (Nox), xido de enxofre (SO), monxido de
carbono (CO) e hidrocarbonetos provenientes da queima incompleta. Esses gases quando na atmosfera
provocam o fenmenos como o de efeito estufa e chuvas cidas com grandes consequncias ao clima
global. Destes gases, o que apresenta maior foramento radiativo1 o CO2.
Ainda assim, acredita-se que os combustveis fsseis permanecero como as principais fontes
primrias de energia mundial. Estima-se um aumento de 83% na demanda global no intervalo entre
2004 e 2030 (International Energy Agency, 2006). Encabeando esse aumento esto o carvo mineral
seguido pelo petrleo e o gs natural. Em contra partida, estes recursos naturais so finitos e suas
reservas se esgotaro em um futuro prximo. Sabe-se que at o momento, no h ainda outra fonte
energtica capaz de substituir o petrleo e o carvo de modo a suprir esta grande e crescente demanda
mundial.
Em um cenrio como este, o mundo volta seu olhar s fontes energticas renovveis que no
apresentam tamanho impacto negativo ao clima e economia mundial. Isso justifica um crescente
interesse em tecnologias como energia solar, elica, nuclear, geotrmica, das mars e da biomassa. O
Brasil, por ser um pas com condies climticas propcias e ter grande territrio, tem na biomassa um
recurso energtico natural renovvel com grandes possibilidades de explorao. Dentre as tecnologias
de transformao energtica pode-se destacar a gaseificao de biomassa, a qual ser tratada nos itens
subseqentes.
1.2 POTENCIAL ENERGTICO DA BIOMASSA
Biomassa toda matria orgnica (de origem animal ou vegetal) constituda por compostos
carbonados e que, do ponto de vista energtico, pode ser utilizada na produo de energia. As plantas,
organismos fotossintetizantes, utilizam energia solar para sintetizar esses compostos carbonados. Esta
energia na forma de ftons dirige a sntese de carboidratos a partir de dixido de carbono (CO2) e gua
com a liberao de oxignio (O2). Desta forma, energia solar fica armazenada na forma de energia
qumica nas ligaes moleculares da estrutura da biomassa podendo posteriormente ser aproveitada na
gerao de calor ou de gs combustvel.
Apesar de uma grande parte do planeta estar desprovida de florestas, a quantidade de biomassa
existente na Terra da ordem de dois trilhes de toneladas; o que significa cerca de 400 toneladas per
capita (ANEEL, 2002). O fato de ser renovvel e se poder aproveitar diretamente em fornos, caldeiras
ou gaseificadores, so uma importante caracterstica que, a despeito do ainda baixo rendimento e junto
1 Mudanas positivas ou negativas no balano energtico da Terra, causados por uma substncia. usado
para expressar a influncia no aquecimento ou resfriamento no clima global. medido em [W/m2].
(Intergovernmental Panel on Climate Change, 2007).
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possibilidade de futura escassez de combustveis fsseis no mundo, torna o uso de biomassa para
fins energticos uma alternativa cada vez mais atraente.
Atualmente, a biomassa representa 14% do consumo mundial de energia primria, um ndice
superior ao do carvo mineral e similar ao do gs natural e ao da eletricidade. Esta parcela aumenta
para 34% nos pases em desenvolvimento segundo dados da IEA (Tab. 1.1).
Pas ou regio Biomassa Outras fontes
Total Percentual do uso de
biomassa (%)
China 206 649 855 24,1
Leste Asitico 106 316 422 25,1
Sul da sia 235 188 423 55,6
Amrica Latina 73 342 415 17,6
frica 205 136 341 60,1
Pases em Desenvolvimento 825 1.632 2.457 33,6
Pases da OCDE 81 3.044 3.125 2,6
Total 930 5.713 6.643 14,0 Tabela 1.1 Consumo mundial de energia primria (1995 Mtep). Fonte: IEA, 1998.
Vrias tecnologias de aproveitamento esto em fase de estudo e aplicao das quais a gaseificao
uma delas. Estas tecnologias com maior eficincia na converso vm tornando a biomassa um vetor
energtico moderno e bastante conveniente com vantagens ambientais no controle de emisses de CO2
e enxofre.
Alm da gerao de calor com a queima em fornos e caldeiras, a biomassa apresenta um grande
potencial na gerao de energia eltrica. A produo de lenha, carvo vegetal e/ou toras de madeira
geram uma grande quantidade de resduos os quais podem ser aproveitados para este fim. A energia
aproveitvel a partir desses resduos de extrao vegetal funo do poder calorfero desses resduos
(ANEEL, 2002). O Par, com suas atividades extrativistas, e So Paulo, com suas florestas plantadas
(reflorestamento), so os Estados com o maior potencial de aproveitamento de resduos da madeira
brasileiros como podemos observar nas figuras (1.4).
H ainda no setor de gerao de energia eltrica, um grande potencial representado pelos resduos
agrcolas. Nas Regies Sul, Sudeste e Centro-Oeste apresentam os maiores potenciais com destaque
para os Estados do Paran e Rio Grande do Sul (Fig. 1.5).
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Figura 1. 4 Potencial de gerao de energia eltrica atravs do aproveitamento de resduos de madeira (GWh/ano).
Fonte: CENBIO 2000.
Figura 1.5 - Potencial de gerao de energia eltrica atravs do aproveitamento de resduos agrcolas (GWh/ano). Fonte:
CENBIO 2000.
Alguns aspectos devem ser observados tais como a baixa eficincia termodinmica das plantas
atuais e os custos relativamente altos de produo e transporte e a necessidade de maior gerenciamento
do uso e ocupao do solo, devido falta de regularidade no suprimento (sazonalidades da produo),
criao de monoculturas, perda de biodiversidade, uso intensivo de defensivos agrcolas e outros mais.
Alm do que, nos casos de extrao seletiva e beneficiamento descentralizado, o aproveitamento de
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resduos pode se tornar economicamente invivel. Estes entraves, no entanto, tendem a ser
contornados, a mdio e longo prazo, pelo desenvolvimento e aplicao de novas e eficientes
tecnologias de converso energtica da biomassa (Cortez, 1999).
1.3 ELETRIFICAO DE COMUNIDADES ISOLADAS
O Brasil um pas com dimenses continentais. Sua populao beira os 170 milhes de habitantes
distribudos de forma bastante desigual em uma extenso territorial de aproximadamente 8,5 milhes
de km2, resultando em uma densidade demogrfica de 20 habitantes por km2. Sua distribuio
resultante de uma forte concentrao da populao em determinados territrios a despeito de outros,
gerando assim, um acentuado quadro de desigualdade social. Com 11% do territrio brasileiro, a
regio Sudeste concentra 43% da populao e 56% do poder de compra do pas. Por outro lado, a
regio Norte corresponde a 45% do territrio nacional, 7,6% da populao brasileira e apenas 4,9% do
poder de compra do pas (Tab. 1.2). Verifica-se, ainda, que 28% da populao brasileira vivem na
regio Nordeste que detm apenas 16,5% do poder de compra da nao (ANEEL, 2002).
Regio rea (km2) Populao1 Densidade PIB2 IPC3 IDH4
Sul 557.214 25.07.211 43,43 6.865 0,158 0,86
Sudeste 927.287 72.262.411 77,93 8.843 0,557 0,857
Nordeste 1.558.201 47.679.381 30,6 3.085 0,165 0,608
Norte 3.869.739 12.919.949 3,34 4.705 0,049 0,727
Centro-Oeste 1.612.077 11.611.491 7,2 7.073 0,073 0,848
Brasil 8.544.518 169.544.443 19,84 6.495 1 0,83
1. Dados preliminares do Censo 2000 [IBGE, 2001].
2. Produto Interno Bruto (U$/hab.). Valores de 1996, ponderados pelo poder de compra [IPEA, 2001].
3. ndice de Potencial de Consumo expressa o poder de compra de cada regio [Gazeta Mercantil, 1998].
4. ndice de Desenvolvimento Humano valores de 1996 [IPEA, 2001].
Tabela 1.2 Indicadores socioeconmicos e demogrficos Brasil e suas regies. Fonte: Atlas de energia eltrica do
Brasil ANEEL, 2002.
Entende-se que apesar de no ser um indicador direto do grau de desenvolvimento de uma regio, a
disponibilidade de energia eltrica um fator determinante para o dito bem-estar social e o
crescimento econmico do pas. No por acaso, as regies com as menores taxas de eletrificao so
tambm as com menores IDHs. O Censo Demogrfico realizado pelo IBGE referente ao ano de 1991
evidencia uma forte correlao entre a taxa de eletrificao residencial e indicadores socioeconmicos.
Os melhores ndices so encontrados nas regies Sul e Sudeste. Como exemplos de regies com
baixos ndices de eletrificao destacam-se a do Alto Solimes, no Amazonas, e grande parte do
Estado do Par indo desde a fronteira com Mato Grosso at o Oceano Atlntico. Ainda na regio
Norte, observa-se ndices muito baixos na regio central do Acre, no sudoeste do Amazonas e leste do
Tocantins. Na regio Nordeste verifica-se vrias regies com baixos ndices, entre elas grande parte do
Maranho e Piau e algumas regies do Cear e da Bahia (Fig. 1.6).
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Figura 1.6 Taxa de eletrificao residencial proporo de domiclios eletrificados em 1991. Fonte: ANEEL, 1991.
A ABRADEE, Associao Brasileira de Distribuidores de Energia Eltrica, no ano de 2000,
estimou 2,8 milhes de domiclios e aproximadamente 11 milhes de pessoas sem energia eltrica, dos
quais 9,7 milhes esto na rea rural. Dessa forma, tem-se uma taxa de eletrificao rural de 70,7%
contra 99,2% de eletrificao urbana.
Por serem de difcil acesso, as comunidades isoladas em sua maioria no so beneficiadas pelo
sistema predominante no restante do Brasil, que baseado em nossa grande matriz hidreltrica. Essa
carncia energtica suprida de forma deficiente por aproximadamente 300 pequenos sistemas de
gerao a diesel operados pelas concessionrias de energia eltrica locais, e outros milhares que so
utilizados por proprietrios particulares (Marco, Jorge, Cludio, & Eduardo, 2005).
Como conseqncia dos elevados custos de operao, de manuteno e do combustvel, o custo da
energia na Amaznia elevadssimo. Atualmente este custo subsidiado pela Conta de Consumo de
Combustveis (CCC), que compartilhada por todas as concessionrias de energia eltrica do Brasil,
baseado no lucro de cada uma. A Eletrobrs a agncia responsvel pela fiscalizao.
-
22
O Ministrio de Minas e Energia lanou em 2004 o programa Luz para Todos, cujo objetivo
levar energia eltrica a todos os brasileiros excludos dos benefcios da eletrificao, at 2008. Para
atingir esta ambiciosa meta far-se- necessria a insero, na medida do possvel, de fontes no
convencionais de energia, de preferncia quando estas fontes so disponveis localmente como, por
exemplo, os resduos das atividades agrcolas e florestais e os leos vegetais (Suani et al. 2005).
Vale salientar que, segundo Frate e Brasil (2006), a insero de tecnologias de gerao de energia
renovvel em comunidades isoladas provoca alteraes em seu cenrio scio-econmico e ambiental
sendo a atual poltica do Governo insuficiente para estabelecer tais cenrios de forma sustentvel. A
avaliao dos impactos causados pela ao antrpica no pode ser tomada levando em considerao
apenas fatores espaciais e temporais, mas tambm fatores culturais das comunidades (Capata &
Orechini, 1996). Deve-se observar tambm que, segundo Athayde et all (2004), a disponibilidade de
energia pode romper com o equilbrio local alterando os padres de consumo e induzindo migrao
para grandes centros, por conta da disponibilidade de informaes trazidas pela televiso.
Para que haja uma bem sucedida implantao de novas tecnologias de eletrificao em
comunidades rurais isoladas, so necessrias alteraes profundas nos paradigmas de produo
agrcola, de consumo energtico e, sobretudo, uma mudana psicossocial (Frate & Brasil Jr., 2006).
Dessa forma, em se tratando de eletrificao de comunidades isoladas, deve-se levar em conta no
apenas fatores estritamente tcnicos, mas tambm, fatores polticos, econmicos e sociais.
1.4 ESTADO DA ARTE DA GASEIFICAO DOWNDRAFT DE PEQUENO
PORTE
A gaseificao de biomassa no um processo novo. Nos idos de 1669, Sir Thomas Shirley
conduziu experimentos com produo de gs metano (CH4). No entanto, as primeiras patentes sobre
gaseificao foram registradas apenas em 1788 e 1791 por Robert Gardner e John Barber,
respectivamente (Larson, 1998). Barber, em sua patente mencionou o uso do gs de sntese a partir do
carvo em motores de combusto interna. Este uso, porm, s seria confirmado um ano aps, em
1792. Ainda neste ano, Murdoch, um engenheiro escocs, pirolisou carvo em um reator de ferro e
utilizou o gs sintetizado para iluminar sua casa (Lowry, 1945). Posteriormente, Murdoch construiu
uma planta de gs para James Watt e iluminou uma das oficinas deste (Rezaiyan & Cheremisinoff,
2005). No ano de 1798, os primeiros experimentos com gaseificao de madeira foram feitos por
Lebon. No incio do sculo dezenove foi patenteado na Inglaterra um gaseificador porttil e em 1840,
na Frana, foi desenvolvido o primeiro gaseificador comercial. Estes sistemas de gaseificao, porm,
eram ainda muito rudimentares e no representavam verdadeiras solues no fornecimento de energia
sociedade.
Na dcada de 1860 os primeiros motores de combusto interna especialmente projetados para a
queima de gs sinttico da gaseificao comearam a ser utilizados na Blgica. No incio do sculo
-
23
vinte numerosos veculos eram movidos gs sinttico e algumas mquinas maiores foram
construdas na Europa e nos Estados Unidos. Em Cobdogla, Austrlia, foi construdo um sistema de
irrigao no qual o motor da bomba dgua era movido por um sistema de gaseificao. James Willian
junto com Grahan J. Parker patenteou, na Inglaterra, um sistema melhorado para veculos onde o
combustvel era o carvo vegetal. Esses sistemas, porm, ainda eram pouco operacionais. Abastecer o
veculo com carvo era um trabalho difcil e sujo exigindo a troca de roupas. Ligar o veculo levava
um considervel tempo at que as reaes de gaseificao iniciassem e a qualidade do carvo era
determinante. A potncia desses veculos era no mximo 50% a dos veculos movidos a petrleo da
poca.
Durante os anos de 1930, o desenvolvimento da gaseificao despertou grande interesse de pases
com grandes reas florestais. Alm do mais, a crise econmica que abalou o mundo devido ao crash
da bolsa de valores norte-americana e o conseqente aumento dos combustveis fsseis, foi um
incentivo adicional ao uso da gaseificao. Em 1938, cerca de 7.800 veculos movidos a gs supridos
por 1.500 estaes de abastecimento de madeira ou carvo vegetal circulavam pelas ruas da Frana. A
Sucia e Alemanha seguiram o exemplo da Frana. Na Sucia, em 1942, cerca de 80.000 veculos e
mais de 20.000 tratores foram convertidos para o uso do gs, (Larson, 1998). Durante a Segunda
Guerra Mundial, com a escassez de petrleo, os veculos movidos a gs sinttico tiveram uma
importante atuao. Este cenrio de interesse e desenvolvimento da gaseificao durou at meados dos
anos 50 quando a produo de petrleo foi normalizada e o interesse por gs combustvel diminuiu ao
ponto de ser descartado como fonte de energia alternativa.
Em 10 de fevereiro de 1979 o aiatol Ruhollah Khomeini, recm chegado de seu exlio na Frana,
lidera a revoluo islmica no Ir proclamando a Repblica Islmica do Ir, a qual suspendeu os
acordos de compras de armamentos norte-americanos e de venda de petrleo aos Estados Unidos.
Estava instaurada a crise mundial do petrleo que reacenderia o interesse pela gaseificao de
biomassa. A Figura (1.4) mostra a dinmica histrica do interesse pelo assunto na forma de citaes no
Chemical Abstracts sobre gaseificao.
Figura 1.7 - Nmero de citaes no Chemical Abstract referente gaseificao de biomassa. Fonte: FAO (1986)
Ano de citao
Nmero de
citaes
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24
Nos dias atuais o interesse pela gaseificao de biomassa como fonte de gs combustvel pautado
por questes econmicas, sociais e ambientais. Uma caracterstica do sistema energtico de vrios
pases em desenvolvimento em particular em reas rurais o uso intensivo de motores de
combusto interna para aplicaes estacionrias como a gerao de potncia eltrica e operao de
bombas dgua para irrigaes de plantaes. Tecnologias como a gaseificao, que permite a
utilizao de biomassa como combustvel para tais mquinas com um mnimo de preparao, so de
particular importncia (FAO - Food and Agriculture Organization of the United Nations, 1986). Um
sistema de gaseificao caractersticas bastante interessantes o do tipo downdraft estratificado onde o
ar e a biomassa entram pela parte superior do reator e o gs de sntese sai pela parte inferior do
mesmo. Este sistema opera gerando um gs relativamente limpo no que tange s concentraes de
alcatro.
Warren et al. (1995) em seu trabalho com plantas de 30kWe (eletricidade) e 60kWth (calor),
apontaram a viabilidade de utilizao da tecnologia downdraft para eletrificao rural. Peres (1999)
obteve resultados significantes em seus experimentos de gaseificao de bagao de cana. Verificou-se
a gerao de 0,65 m3 de gs por quilo de bagao e um poder calorfico de aproximadamente 12,84
MJ/m3 demonstrando assim, a viabilidade econmica da tecnologia posto que a safra de cana de
acar do nordeste brasileiro nos anos de 1995 e 1996 foi de 47.957.667 toneladas que geraram
14.387.300 toneladas de bagao de cana os quais gaseificados gerariam 4.675.872.500 m3 de gs
(Peres, 1999).
Comprovou-se atravs de estudos realizados que a gaseificao da biomassa do capim-elefante
(pennisetum purpureum) uma alternativa sustentvel para gerao de energia com baixa emisso de
poluentes. Utilizou-se um grupo moto-gerador diesel operando em regime hbrido alcanando uma
substituio de 70% do leo diesel pelo gs de biomassa. Estimou-se, em valores da poca, um custo
de 0,16 a 0,23 R$/kWh que em termos econmicos, valida a viabilidade para o projeto de eletrificao
rural (Cortes & Sanchez, 2000).
Wander et al. (2004) experimentaram um sistema de gaseificao leito fixo downdraft estratificado
e comprovaram que a gaseificao de madeira pode produzir um gs capaz de ser queimado em motor
de combusto interna desde que este sofra uma limpeza adequada. Eles propuseram a insero de um
sistema de recirculao que queima parte dos gases produzidos visando manter um nvel elevado de
temperatura na zona de gaseificao e gerando, assim, aumento da eficincia. O consumo estimado
dos resduos de serraria pelo gaseificador de 12 kg/h.
Com a finalidade de examinar os efeitos dos parmetros operacionais em relao a qualidade do
gs de sntese e taxa de converso de biomassa, utilizou-se cavaco de madeira em um sistema de
gaseificao downdraft. Constatou-se um poder calorfico de 5,79 0,52 MJ/Nm3; uma taxa de
converso de carbono de 98,01 0,53% e uma concentrao de alcatro de 14,06 8,54 mg/Nm3.
Esses valores apontam para a viabilidade da qualidade deste gs para o uso em motores de combusto
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25
interna. Observou-se ainda, que com o aumento da umidade da biomassa, a concentrao de monxido
de carbono (CO) diminuiu ao passo que a concentrao de alcatro teve um significativo aumento.
1.5 MOTIVAO E OBJETIVOS
Motivados por uma crescente demanda por energia, principalmente em regies onde o acesso a
formas convencionais no vivel e um cenrio energtico mundial com inmeras restries, sejam
estas naturais, como o esgotamento das reservas de combustveis fsseis e a constatao da
responsabilidade antropognica nas mudanas climticas globais, ou econmicas, como o constante
aumento do preo desses combustveis; novas solues energticas devem ser buscadas a fim de
garantir independncia energtica, fundamental ao pas.
Cientes da cultura predominante de eletrificao por grupos motogeradores diesel em comunidades
isoladas, de sua tecnologia estar totalmente dominada, dos altos custos do leo diesel para o Governo
brasileiro e do potencial energtico de biomassa dessas regies, acredita-se que a tecnologia de
gerao de energia eltrica de pequena escala por sistema de gaseificao de biomassa seja pertinente.
O objetivo do presente projeto avaliar uma central de gerao de energia eltrica de cinco
kilowatts baseado em um sistema de gaseificao de biomassa e um grupo motogerador, para
comunidades isoladas.
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2 FUNDAMENTAO TERICA
Neste captulo sero apresentados os princpios
bsicos da tecnologia de gaseificao de biomassa,
em especial os gaseificadores de leito fixo do tipo
downdraft. Sero feitas algumas consideraes sobre biomassa para gaseificao e sobre o grupo
motogerador. Por fim, ser feita uma comparao
entre outras tecnologias existentes para eletrificao
de comunidades isoladas.
2.1 PRINCPIOS DA GASEIFICAO DE BIOMASSA
A biomassa pode sofrer alguns processos de converso trmica: a pirlise, resultando em carvo e
gs; a gaseificao, que fornece gs combustvel e, por fim, a combusto, liberando gases quentes.
A pirlise (de Piro fogo, calor e lisys quebra) a quebra da estrutura molecular pelo uso de
calor. um estgio inicial presente tanto na combusto quanto na gaseificao. A pirlise tem incio
quando a biomassa aquecida a temperaturas aproximadas de 350 oC. Ocorre a formao de carvo
(C), gases (CO, H2, CH4, CO2), e vapores de alcatro (cuja frmula atmica aproximada CH1.2O0.5).
O alcatro assume o estado gasoso apenas a elevadas temperaturas. Fora dessa zona de temperatura,
ocorre a formao de uma fumaa branca composta por gotculas de alcatro condensado (Reed &
Das, 1988).
A gaseificao um processo de converso de biomassa em gs sinttico combustvel (H2, CO,
CO2, CH4) que, teoricamente, contm toda a energia originalmente presente na biomassa. Na prtica,
porm, ocorre a converso de 60% a 90% dessa energia em energia do gs. Este processo envolve a
reao do carbono com ar, oxignio, vapor dgua, dixido de carbono ou uma mistura desses
elementos a uma temperatura igual ou superior a 700C, produzindo um gs que pode ser utilizado
para gerar energia eltrica ou calor (Rezaiyan & Cheremisinoff, 2005).
Os sistemas de gaseificao basicamente so compostos por uma unidade onde ocorrem as reaes
qumicas, o reator, um sistema de tratamento do gs gerado e uma unidade de converso da energia
deste gs em outro tipo de energia, que pode ser um grupo moto-gerador no caso de energia eltrica,
ou uma caldeira quando se trata de energia trmica (Fig. 2.1).
Figura 2.1 Esquema geral de um sistema de gaseificao de biomassa.
Biomassa
O2
Reator
Sistema de tratamento de
gs
Conversor
Eletricidade
Calor
Gs
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27
No processo de gaseificao, a maior parte do oxignio injetado no reator, seja na forma de ar
atmosfrico ou de oxignio puro, consumida nas reaes entre carbono (C), oxignio (O2) e
hidrognio (H), (Eq. 2.1 a 2.3).
+ 2 2 (2.1)
+ 1 2 2 (2.2)
2 +12 2 2 (2.3)
Essas reaes, por serem exotrmicas, fornecem o calor necessrio para secar a biomassa, quebrar
as ligaes qumicas liberando volteis e elevar a temperatura da zona de reao possibilitando a
continuidade do processo de gaseificao.
As principais reaes de gaseificao so as chamadas reaes gs-gua (Eq. 2.4 e 2.5), que so
endotrmicas e ocorrem com maior intensidade em ambientes com alta temperatura e baixa presso.
+ 2 + + 2 (2.4)
+ 22 + 2 + 22 (2.5)
Conhecida como reao de Bourdourd, a reao (2.6) endotrmica. Ela ocorre mais lentamente
que a reao de combusto (2.1) sob mesmas condies de temperatura, desde que na ausncia de
catalisadores.
+ 2 + 2 (2.6)
Outra reao que ocorre no interior da zona de reao a hidro-gaseificao (2.7), que bastante
lenta, com exceo das circunstncias nas quais a presso elevada.
+ 22 4 + (2.7)
Quando uma maior produo de hidrognio (H2) desejada, a reao (2.8) passa a representar um
importante papel, desde que se faa uso de um catalisador e a baixas temperaturas por volta de 260
oC. A presso no afeta essa reao.
+ 2 + 2 + 2 (2.8)
As reaes de formao de metano (2.9) ocorrem de forma lenta, em baixas temperaturas e na
ausncia de catalisadores.
+ 32 4 + 2 (2.9)
Completando o quadro de reaes presentes no processo de gaseificao, h a reao que ocorre
entre carbono e gua (2.10):
+ 2 12 4 +
12 2 (2.10)
2.2 TIPOS DE GASEIFICADORES
A despeito de sua mecnica simples, os gaseificadores so equipamentos de difcil operao. Os
maiores avanos at agora foram alcanados empiricamente. Isso se deve ao fato de no haver ainda
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um modelo que descreva e preveja completamente a queima em um escoamento em meio poroso no
uniforme.
Podem-se classificar os gaseificadores em dois grandes grupos: os de leito fluidizado e os de leito
fixo.
2.2.1. GASEIFICADORES DE LEITO FLUIDIZADO
Os de leito fluidizado funcionam com o escoamento de um gs pressurizado pelo leito de material
particulado. A vazo do gs controlada de tal forma que sua fora de arrasto se igualar ao peso das
partculas que entram em suspenso. Essas partculas adquirem caractersticas de lquido ganhando o
nome de leito fluidizado (Fig. 2.2).
Figura 2.2 Esquema de um gaseificador de leito fluidizado.
Esse tipo de gaseificador foi desenvolvido antes da Segunda Guerra Mundial visando sistemas de
grande porte de gaseificao de carvo mineral. Para tal, necessrio que a base da cmara de
combusto seja alimentada com ar pressurizado por uma placa perfurada que suporta o leito de areia.
Neste leito, o combustvel slido transformado em gs no reator pela ao de agentes redutores a
Partculas em
suspenso
Reservatrio de cinzas
Gs de sntese
Entrada de ar
pressurizado
Zona de
Reao
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temperaturas aproximadas a 1000 oC, produzindo um gs com baixo poder calorfico. O rendimento
energtico aproximado de 70%.
Esse sistema apresenta grande produtividade e altas taxas de transferncia de calor. O combustvel
praticamente todo processado e pode-se reduzir o teor de enxofre do gs pelo uso de agentes
dessulfurantes. Por ser um sistema de grande porte, apresenta tambm elevados custos de construo e
operao.
2.2.2. GASEIFICADORES DE LEITO FIXO
Esse tipo de gaseificador utiliza um leito de partculas slidas pelo qual ar e gs fluem tanto para
cima quanto para baixo. Os reatores nos quais esse fluxo passa de cima para baixo, so chamados de
concorrentes ou downdraft, enquanto nos que tm o fluxo de ar passando de baixo para cima, so
chamados contracorrentes, ou updraft.
O reator contracorrente ou updraft foi o primeiro e mais simples dos modelos de gaseificadores.
Nele, a entrada de ar na parte inferior e a sada do gs superior. A biomassa entra pela parte
superior seguindo para baixo, da o nome contracorrente. Perto grade (Fig. 2.3), ocorrem as reaes
de combusto, que so seguidas pelas reaes de reduo logo acima. Na parte superior, o
aquecimento e a pirlise da biomassa ocorre devido transferncia de calor por conveco formada.
Figura 2.3 - Esquema de um gaseificador tipo updraft.
Gs sinttico
Entrada de
ar
Biomassa
Cinzas
-
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Sua configurao simples um ponto favorvel, assim como a possibilidade de operao com
diferentes tipos de biomassa. No entanto, este tipo de gaseificador bastante suscetvel ao
entupimento, o que cria bolses de oxignio em seu interior, o que torna o risco de exploso grande.
Alm disso, a concentrao de alcatro no gs formado era consideravelmente elevada.
A soluo para o elevado nvel de concentrao de alcatro no gs dos gaseificadores tipo
updraught foi encontrada projetando-se um reator onde o ar primrio de gaseificao injetado pela
parte superior sobre a zona de oxidao no gaseificador. Assim, tanto o ar como a biomassa percorrem
o gaseificador no mesmo sentido, da a definio gaseificador tipo concorrente (downdraft), como
visto na Figura (2.4). Esse tipo, em particular o tipo estratificado, ser tratado mais detalhadamente
nas sees seguintes.
Figura 2.4 - Esquema de um gaseificador tipo downdraft.
2.3 TECNOLOGIA DE GASEIFICADOR DOWNDRAFT ESTRATIFICADO
A geometria de um gaseificador concorrente estratificado (stratified downdraft) , basicamente, um
vaso cilndrico com a parte superior permanentemente aberta por onde entram a biomassa e um fluxo
Gs sinttico
Entrada de
ar
Cinzas
Biomassa
-
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constante de ar, ambos no sentido descendente passando por quatro zonas distintas, da o nome
estratificado.
Figura 2.4 Zonas de reao em um reator tipo downdraft.
A primeira zona (Fig. 2.5) pela qual a biomassa passa uma zona de depsito na qual ocorre a
secagem do combustvel pelo calor conduzido pelas zonas inferiores. Na zona seguinte chamada de
zona de pirlise, os volteis provenientes da quebra das estruturas moleculares da biomassa pelo calor,
reagem com o ar em combusto gerando basicamente CO, H2, CO2, H2O e N2. Na terceira zona esses
gases sofrem reduo pelo carvo formado na segunda fase. Na quarta e ltima zona, localiza-se a
parte onde as cinzas provenientes da reduo so armazenadas, servindo de proteo grelhe de um
eventual superaquecimento.
Uma srie de vantagens pode ser destacada nesse tipo de geometria. A parte superior aberta
possibilita um abastecimento muito mais fcil de combustvel e permite um melhor acesso de
instrumentos de mediada no leito, o que permite uma melhor comparao com os resultados obtidos
em modelos tericos. A passagem uniforme de biomassa e ar mantm a temperatura estvel. A
geometria cilndrica de muito mais fcil construo e dessa forma, mais barata.
O gaseificador de leito estratificado conceitualmente e matematicamente mais fcil de ser
compreendido. Dessa forma, descries quantitativas e modelos matemticos do fluxo de gs atravs o
leito so facilitados (Reed & Das, 1988).
Zona de depsito
Zona de pirlise
Zona de reduo
Cinzas
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Estas vantagens aliadas simplicidade da geometria e construo colocam os gaseificadores de
leito estratificado em uma posio vantajosa quando comparados aos outros tipos de gaseificadores.
H, no entanto, um longo caminho a ser trilhado no que tange s pesquisas sobre essa tecnologia.
Algumas pontos devem ainda ser melhor estudados tais como a retirada das cinzas e do alcatro no gs
produzido.
2.4 MOTOR CICLO DIESEL
Baseado em uma propriedade do leo que faz com que este, quando pulverizado em um recipiente
com oxignio exploda, o engenheiro alemo Rudolf Christian Karl Diesel desenvolveu e patenteou em
1893 um motor a combusto cuja simplicidade de funcionamento e robustez revolucionou a indstria
e, atualmente, pode ser encontrado at mesmo nos locais mais longnquos do mundo seja em navios,
carros ou unidades estacionrias para gerao de energia eltrica. Trata-se do motor diesel.
Tendo sido projetado primeiramente para utilizar leo vegetal (leo de amendoim), este motor logo
comeou a ser utilizado para queimar leo proveniente da destilao inicial do petrleo, gasleo ou
leo diesel (tambm em homenagem a Rudolf Diesel). O leo injetado a alta velocidade em
pequenos orifcios sendo pulverizados na cmara de combusto do cilindro. O combustvel vaporiza e
se mistura com o ar a alta temperatura e alta presso. Se a temperatura e a presso estiverem acima do
ponto de ignio do combustvel, ocorre combusto espontnea de uma poro da mistura. Com a
liberao de calor proveniente da chama piloto, ocorre a combusto do restante da mistura (Heywood,
1988). Dessa forma o motor diesel difere do motor ciclo Otto por no necessitar de uma fasca eltrica
para a ignio.
No motor a gasolina, o ar e o combustvel so comprimidos juntos. A taxa de compresso fica,
assim, presa presso de auto-ignio da mistura. No motor diesel, no entanto, apenas o ar
comprimido sendo o combustvel adicionado apenas no momento da queima conseguindo-se, assim,
maiores taxas de compresso. Esta caracterstica do motor diesel bastante favorvel para a queima de
gs pobre.
2.4.1. O CCLO DIESEL
O ciclo Diesel pode ser descrito em quatro fases distintas. Na fase 1-2 do diagrama P-v (Fig. 2.6)
ocorre uma compresso isentrpica na qual o ar comprimido. Na fase 2-3, calor entra no sistema
proveniente da combusto da mistura ar-combustvel, praticamente isobrica. Na fase 3-4, ocorre
expanso adiabtica. Por fim, na fase 4-1, h rejeio de calor a volume constante (engel & Boles,
1998).
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Figura 2.5 Diagrama P-v do ciclo Diesel.
Mecanicamente, as fases supracitadas podem ser melhor visualizadas na figura (2.7) a seguir.
Figura 2.6 Fases do ciclo em um motor Diesel. Fonte: Site Sala de Fsica.
2.5 BIOMASSA COMO COMBUSTVEL DE GASEIFICAO
H um grande nmero de tipos de biomassa. Cada um diferindo drasticamente em sua composio
qumica, fsica e em suas propriedades morfolgicas. Isso faz com que haja uma demanda de
diferentes tipos de reatores para suprir cada tipo em especial. Dessa forma, cada tipo de reator operar
satisfatoriamente no que tange qualidade do gs e eficincia apenas para valores particulares das
propriedades de determinada biomassa. As principais propriedades so: poder calorfico superior e
inferior, teor de umidade, constituio qumica, geometria e teor de cinzas.
2.5.1. PODER CALORFICO SUPERIOR E INFERIOR
O poder calorfico define-se como a quantidade de energia na forma de calor liberada pela
combusto de uma unidade de massa da madeira (Jara, 1989). No Sistema Internacional o poder
calorfico expresso em joules por grama ou quilojoules por quilo, mas pode ser expresso em calorias
por grama ou quilocalorias por quilograma.
O poder calorfico divide-se em superior (PCS) e inferior (PCI). O poder calorfico superior
aquele em que a combusto se efetua a volume constante e no qual a gua formada durante a
combusto condensada e o calor que derivado desta condensao recuperado (Quirino et al.,
2005).
O poder calorfico inferior a energia efetivamente disponvel por unidade de massa de
combustvel aps deduzir as perdas com a evaporao da gua (JARA, 1989).
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2.5.2. TEOR DE UMIDADE
Segundo Earl (1975), citado por Quirino et al. (2005), o teor de umidade da biomassa combustvel
deve ser reduzido, diminuindo assim o manejo e o custo de transporte, agregando valor ao
combustvel. A presena da umidade torna inevitvel a perda de calor nos gases de combusto em
forma de vapor de gua, j que a umidade da madeira evapora e absorve energia em combusto
(Quirino et al. 2005). Quanto maior o contedo de umidade dad madeira, menor o seu poder de
combusto, devido ao processo de evaporao da umidade, o qual absorve energia em combusto
(Cunha et al., 1989).
2.5.3. CONSTITUIO QUMICA
Segundo Tillman (1978), citado por Quirino at al. (2005), considera a composio qumica da
biomassa um parmetro de suma importncia a despeito da constituio fsica. As caractersticas
energticas da biomassa so, dessa forma, funes da composio qumica, dimenses, forma e
arranjo dos elementos anatmicos.
Para Jara (1989), lignina e extrativos (resinas, leos-resinas, matrias graxas, leos, etc.) so os
principais elementos determinante do poder calorfico superior da madeira acompanhados pela
umidade. Colet (1955), citado por Quirino at al. (2005), afirma que a quantidade de carbono funo
da porcentagem de lignina da madeira.
2.5.4. MASSA ESPECFICA
a quantidade de matria por volume. No sistema internacional utiliza-se kg/m3. Um valor elevado
da massa especfica em um combustvel slido agrega valor energtico ao passo que uma quantidade
maior de massa (energia) est confinada por unidade de volume. Segundo Cunha et al. (1989), no h
correlao entre densidade bsica e o poder calorfico. H, porm, uma forte relao do volume de
biomassa a ser gaseificado e o contedo energtico. Dessa forma, a densificao de biomassa torna-se
uma interessante estratgia para agregar valor a este combustvel.
2.5.5. TEOR DE CINZAS
Elevados teores de cinzas podem causar vrios problemas em um gaseificador, em especial os do
tipo concorrente (downdraft). Quando em altas temperaturas, as cinzas se fundem obstruindo a
passagem do fluxo de gases junto grelha do reator. Biomassas com elevados teores de cinzas devem
ser evitadas e medidas devem ser tomadas no que diz respeito ao mecanismo mecnico, tais como um
sistema de grelha vibrante e freqente manuteno.
2.5.6. GEOMETRIA
Tambm conhecida como granulometria, a geometria tem papel importante na gaseificao por
influenciar de maneira decisiva a forma com a qual o fluxo de gases passar pelo reator. Por se tratar
de um escoamento em meio poroso, as dimenses das partculas so de vital importncia ao
funcionamento do gaseificador, pois a homogeneidade desse escoamento deve ser assegurada.
2.5.7. ACESSIBILIDADE
No menos importante que as demais caractersticas supracitadas, o fcil acesso biomassa deve
ser levado em conta para fins de viabilidade econmica. Devem-se considerar alm do valor da
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biomassa, os custos com transporte e manuseio. Vrias atividades geram grandes volumes de biomassa
combustvel como subproduto de seus processos. o caso de fbricas de mveis, compensados,
extrativismo, serrarias e etc.
Este o caso da Serraria Imperial, localizada na rodovia BR 020 km 01 na Vila Rosrio no
municpio de Correntina-BA (Fig. 2.6). A produo estimada de 100 m3 de refugos (serragens,
cavacos e maravalha) para cada 100 m3 de toras de pinus (Pinus caribaea), como pode se observar nas
figuras (2.7 e 2.8).
Figura 2.7 - Serraria Imperial, rodovia BR 020 km 01 na Vila Rosrio no municpio de Correntina-BA
Figura 2.8 Montanha de resduos provenientes do processo de corte e preparo do pinus.
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Figura 2.9 Toras de madeiras cortadas.
Deve-se observar ainda que o uso dessa biomassa pode solucionar o problema do passivo ambiental
de vrias atividades industriais e extrativistas.
2.6 COMPARAO COM OUTRAS TECNOLOGIAS
O aproveitamento da biomassa como combustvel pode ser feito atravs de processos
termoqumicos (gaseificao, pirlise, liquefao e transesterificao), por processos biolgicos
(digesto anaerbica e fermentao) ou mesmo pela queima direta (com ou sem processos fsicos de
secagem, classificao, compresso, corte/quebra, etc.) (ANEEL, 2002). O diagrama da figura (2.11)
apresenta esses processos. No entanto, nem todas as tecnologias desses processos se adquam a
comunidades isoladas.
Figura 2.10 Diagrama esquemtico dos processos de converso energtica da biomassa. Fonte: MME, 1982.
2.6.1. PEQUENAS CENTRAIS TERMELTRICAS A BIOMASSA
-
37
Operam com madeira diretamente queimada em caldeiras em ciclos Rankine com turbinas a vapor.
Consomem lenha picada para capacidades menores e, para capacidades acima de 5MW, consomem
lenha em toras. Exigem mo-de-obra especializada e apresentam manuteno onerosa.
Um exemplo emblemtico das dificuldades a enfrentar na implantao de uma central termeltrica
a lenha prevista para operar com lenha produzida pelo manejo sustentvel de formaes naturais pode
ser dado pelo projeto de Manacapuru, idealizado para a cidade do mesmo nome, localizada em frente
cidade de Manaus, na margem oposta do Rio Negro. Em termos brasileiros, talvez este projeto seja
aquele que mais adiante avanou na proposta de utilizar racionalmente a biomassa da floresta
amaznica para gerao de eletricidade em mdia escala e segundo uma tecnologia moderna, com
turbinas a vapor multi-estgio e caldeiras a lenha picada. Os equipamentos chegaram a ser licitados,
contudo a descontinuidade dos recursos, cuja disponibilidade dependia de um agora extinto imposto
nico sobre energia, os elevados custos, da ordem de 4.500 EE.UU.$/kW, e que envolviam a infra-
estrutura de manejo e produo florestal, bem como as dificuldades de dados quanto aos impactos e
produtividade ambiental foram fatores de desmotivao e de insucesso para o empreendimento
(Zukowski at al.).
2.6.2. PAINIS FOTOVOLTAICOS
So painis que se valem do efeito fotovoltaico que transforma energia luminosa em energia
eltrica. Geralmente composto por 32 clulas fotovoltaicas. O uso de pequenos painis fotovoltaicos
indicado para sistemas de telecomunicao e outros eletrnicos de baixo consumo.
Um ponto negativo dessa tecnologia seu elevado custo. Em mdia, o valor de mercado de um
painel com potncia geradora de 130W de U$ 1.200,00. Alm do mais, faz-se necessrio uma srie
de equipamentos tais como, banco de baterias, controladores de carga das baterias, inversores de
freqncia 12V DC 110V AC e etc. Estes equipamentos so em geral, fortemente atacados pela
umidade do ar, o que no caso de regies amaznicas um fator considervel. Isto tudo torna o projeto
bastante rebuscado e caro exigindo uma manuteno constante e qualificada dificultando, assim, o uso
em comunidades isoladas.
-
38
3 BANCADA EXPERIMENTAL E METODOLOGIA
Neste captulo sero dadas explicaes detalhadas
sobre o sistema de gaseificao montado em
laboratrio, o quadro de comando, o banco de
resistncias e o sistema de aquisio de dados. Alm
do que, sero feitas consideraes sobre o grupo
motogerador e a bancada montada em Campo.
3.1 FLUXOGRAMA DO PROCESSO DE GERAO DE ENERGIA ELTRICA
O processo de gerao de energia eltrica por gaseificao de biomassa inicia-se no reator onde a
biomassa transformada em gs de sntese o qual posteriormente tratado seguindo para um grupo
motogerador eltrico. Os componentes principais do sistema sero descritos nos itens subseqentes e
uma imagem esquemtica da bancada montada em laboratrio pode ser vista na figura (3.1).
Figura 3.1 - Componentes do sistema de gerao de energia eltrica por gaseificao de biomassa.
3.2 SISTEMA DE GASEIFICAO DE BIOMASSA
O sistema de gaseificao utilizado para o presente estudo foi o de leito fixo do tipo downdraft
estratificado (Fig. 3.2). Basicamente, o gaseificador divide-se em trs etapas: a gerao de gs ou a
gaseificao propriamente dita, a limpeza do gs e, por fim, a queima deste.
Biomassa Gs
-
39
Figura 3.2 Sistema de gaseificao de biomassa downdraft estratificado montado em laboratrio.
3.2.1. REATOR
O reator foi construdo com chapas de ao 1020 soldadas. Em seu lado frontal existe uma porta de
acesso que vedada com junta para altas temperaturas. Sua nica parte mvel a grelha que fica
dependurada junto base inferior do cone (Fig. 3.3) e sua finalidade conferir graus de liberdade para
que a parte inferior da coluna de reao possa vibrar e as cinzas caiam para o reservatrio (vide
desenhos tcnicos no apndice).
Figura 3.3 Reator de combusto.
A biomassa entra pela parte superior do cone bem como o ar. Na coluna de biomassa formam-se
zonas de reaes onde gerado o gs de sntese. Este gs retirado pelo tubo seguindo para o sistema
de limpeza restando apenas as cinzas armazenadas no reservatrio.
3.2.2. SISTEMA DE TRATAMENTO DE GASES
-
40
Aps sair do reator a elevadas temperaturas e composto por fuligens e vapores de alcatro, o gs
segue para o sistema de tratamento. A primeira etapa do tratamento ocorre em um separador de
partculas centrfugo (Fig. 3.4) que aproveita o decaimento da energia cintica das partculas mais
pesadas em seu interior como princpio de separao.
Figura 3.4 Separador centrfugo.
O prximo estgio da limpeza do gs a diminuio da temperatura e conseqente retirada de
condensveis como o alcatro em um trocador de calor (Fig. 3.5).
Figura 3.5 Trocador de calor.
No trocador de calor, o gs entra a elevada temperatura na parte superior escoando dentro de tubos
aletados imersos em gua fria corrente com a qual troca calor. Na parte inferior do trocador o gs sai
com temperatura menor ficando reservados os gases que se condensaram na forma lquida. O calor
transferido para a gua no trocador pode ainda ser aproveitado em um sistema de aquecimento para
banho ou outros fins.
-
41
A ltima etapa do sistema de limpeza um filtro (Fig. 3.6) no qual as eventuais impurezas so
definitivamente separadas do gs. O elemento filtrante utilizado o caroo de aa (Fig. 3.7), que
apresentou excelente desempenho.
Figura 3.6 Filtro de caroo de aa.
Figura 3.7 Interior do filtro com aa.
3.3 GRUPO MOTO-GERADOR
3.3.1. O MOTOR
O grupo motogerador utilizado foi montado pela empresa Heimer do Brasil LTDA, que utiliza um
motor Kirloskar modelo DM-20, de fabricao indiana (Fig. 3.8).
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42
Figura 3.8 Grupo Moto-gerador instalado em seu local de ensaios.
A ficha tcnica do grupo a seguinte:
Dois cilindros dispostos em linha com duas vlvulas no cabeote cada;
Cilindrada: 1.884 cm3;
Taxa de compresso: 17:1;
Potncia a 1800 rpm: 23,0 cv (16,9 kW);
Admisso: aspirao normal;
O motor em questo do tipo estacionrio, o que significa que a rotao constante e qualquer
alterao significativa de potncia demandada regulada pelo governador, o qual controla a maior ou
menor injeo de combustvel na cmara de combusto. Assim, quando o motor opera em modo duplo
combustvel (gs/diesel), o governador percebe o aumento da rotao e, para mant-la constante,
diminui a quantidade de diesel injetada. Dessa forma, a presena do gs induz uma reduo no
consumo do diesel.
O rendimento () do motor operando apenas com diesel dado pela equao (3.1) seguinte:
=
=
, onde e Pcdiesel so constantes (3.1)
Assim, temos que
= , (3.2)
Dessa forma, para que a potncia seja mantida constante, o nico parmetro que pode ser variado
m . Isso feito justamente pelo governador de dbito da bomba do motor diesel.
Quando o motor trabalha no modo duplo combustvel, a equao (3.2) assume a seguinte forma:
= . + . (3.3)
Como , PCdiesel, e PCgs so constantes, o governador atua apenas em , estando este
limitado a um valor mnimo de 20% de .
-
43
H que se lembrar que para um sistema real, existe uma perda de potncia de aproximadamente
20% quando o motor opera em modo duplo combustvel devido ao baixo valor de PCdiesel.
3.3.2. GERADOR ELTRICO
O gerador utilizado foi um Heimer Diesel modelo GEHK-18. Sua potncia de 12 kW AC, 220
380V. Acoplado sua sada h um quadro eltrico no qual foram tomadas medidas de freqncia,
corrente e tenso (Fig. 3.9).
Figura 3.9 Quadro eltrico do gerador.
3.4 BANCO DE RESISTNCIAS
Para fornecer a carga necessria aos testes utilizou-se um banco de seis resistncias eltricas de 2
kW de potncia cada, as quais foram submersas em gua e comandadas por um quadro de comando no
qual se pode acion-las e aferir corrente e tenso atravs de um medidor polifsico (Fig. 3.10).
3.5 QUADRO DE AQUISIO DE DADOS
Para a aquisio de dados de potncia eltrica consumida utilizou-se o medidor polifsico de trs
fases, quatro fios e trs elementos modelo ZMD318CMt-8155, da LANDIS +GYR. Este equipamento
foi ligado ao quadro de comando de carga e comunica-se por meio do software AMAZON Z.D v3.0.0
onde so gravados o consumo de cada fase dentre outros parmetros (Fig. 3.10).
-
44
Figura 3.10 Quadro de comando de carga e medidor polifsico.
3.6 AFERIO DO CONSUMO DE LEO DIESEL
A aferio do consumo de leo diesel (dbito) se deu pelo uso de uma linha de combustvel
partindo de um bquer contendo o leo apoiado em uma balana digital modelo Adventurer ARD 110,
da Ohaus com preciso e=0,1g. em conjunto com o software LabVIEW 8.2 da National Instruments.
Tal montagem pode ser observada na figura (3.11).
Figura 3.11 Reservatrio de leo sobre balana digital.
-
45
3.7 PLANTA INSTALADA EM CAMPO
A comunidade isolada tratada neste trabalho foi a comunidade de Veredozinho, municpio de
Correntina-BA (Fig. 3.12). Um ponto decisivo na escolha deste local para estudo reside no fato de j
haver um histrico de cooperao entre o Departamento de Engenharia Mecnica da Universidade de
Braslia UnB e a populao local, estando presente e funcionando uma turbina hidrocintica gerando
uma potncia de 1 kW eltrico.
Figura 3.12 Comunidade Veredo ou Veredozinho. Fonte: INPE.
-
46
Esta comunidade manteve praticamente intocada sua flora (cerrado, vereda e veredo) estando
cercada por latifndios com grandes reas de plantios de algodo, pinus, eucalipto e etc. (Fig. 3.13).
H ainda a presena de inmeras e ativas serrarias nas proximidades gerando toneladas de biomassa
(serragem) como passivos ambientais (Fig. 3.14).
Figura 3.13 Plantio da regio do Veredozinho. Fonte: INPE.
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47
Figura 3.14 Serragem como passivo ambiental gerado por serrarias nas proximidades de Veredozinho.
A comunidade resume-se a uma famlia (Fig. 3.15) dividida em quatro casas onde residem
aproximadamente quinze pessoas que vivem da caa, da pesca, da aposentadoria da matriarca e do
auxlio do programa governamental Bolsa Famlia.
Figura 3.15 Casa da Dona Helena, matriarca da comunidade Veredozinho.
3.7.1. UNIDADE CONSUMIDORA
Quanto ao consumo eltrico, a unidade consumidora composta por lmpadas, duas bombas
dgua e eletrodomsticos. Uma especificao mais detalhada pode ser vista na tabela (3.1).
-
48
Tabela 3.1 Caracterizao da unidade consumidora.
3.7.2. SISTEMA DE GASEIFICAO INSTALADO NO CAMPO
O sistema instalado no campo composto por equipamentos iguais aos instalados em laboratrio.
O gaseificador se encontra em uma pequena casa de mquinas construda para este fim (Fig. 3.16)
estando ligado rede eltrica local.
Figura 3.16 Sistema de gaseificao instalado em campo.
Unidade Consumidora: Periodo:
Aparelho Eltrico Quantidade
Potncia
Mdia do
aparelho [W]
Potncia Total
[W]
Dias Estimados
de uso p/ ms
Mdia
Utilizao
diaria [h]
Consumo
Mdio Mensal
de Energia
[kWh]
Chuveiro (Vero) - 3200 W 0 3200 0 30 2 0
Ferro de passar - 1200 W 1 1200 1200 7 1 8,4
Geladeira 1 porta - 200 W* 1 200 200 30 12 72
Lmpada Fluorescente Compacta
- 23 W8 23 184 30 5 27,6
Lavadora de roupas - 600 W 1 600 600 4 2 4,8
Bomba d'gua - 370 W (0,5 CV) 2 370 740 30 2 44,4
Liquidificador - 300 W 1 300 300 15 0,25 1,125
TV Em Cores 20" - 90 W 1 90 90 30 5 13,5
Potncia Instalada [kW] - Pn: 2,574
Consumo
Mensal de
Energia
[kWh]
127,425
Fator de Carga: 0,5
Fator de Potncia 0,7
Potncia de Pico [W] - Pp: 1,287
Consumo de Energia Eltrica Residencial
Veredozinho Jan 2007 a jun 2008
-
49
3.8 METODOLOGIA
Na primeira fase do projeto foram feitas aferies laboratoriais para fins de validao com o auxlio
de uma balana digital na qual as medidas de consumo mssico de diesel, ou leo da amndoa de
macaba, foram tomadas enquanto as variaes de carga foram registradas pelo sistema de captura de
dados do quadro de comando. Tambm com o uso de uma balana foi feito a medida do consumo de
biomassa. Os procedimentos foram os seguintes:
a) Ajuste da carga no quadro de comando;
b) Aferimento do consumo de energia realizado pelo quadro de aquisio de dados;
c) Aferimento da quantidade de massa de leo combustvel consumida em um
determinado intervalo de tempo (dbito) e
d) Aferimento do consumo de biomassa.
Estes procedimentos foram repetidos para cada valor de carga com o motor operando no modo
diesel e depois, com o motor operando no modo duplo combustvel gs/leo.
Para o experimento utilizou-se endocarpo da macaba (Acrocomia aculeata) como biomassa
combustvel e leo diesel.
Em uma fase seguinte, logo aps a validao se mostrar satisfatria, foram realizados inmeros
experimentos utilizando biomassa de macaba e leo in natura da amndoa de macaba. Dessa forma,
comprovou-se a capacidade de independncia de combustveis fsseis do sistema de gerao de
eletricidade com gaseificao de biomassa proposto.
Na fase final, foi ministrado o treinamento a alguns indivduos da comunidade local com o intuito
de proporcionar-lhes autonomia operacional. A eles foi ensinado como ligar e desligar todo o sistema,
aquisio e tratamento correto da biomassa tal como secagem e por fim, a forma correta de
manuteno do equipamento. Alm disto, foi feito uma avaliao qualitativa da unidade.
-
50
4 RESULTADOS
Esta parte do texto faz uma anlise dos dados obtidos
empiricamente no laboratrio, apresentando algumas
curvas de consumo de diesel e leo in natura e seu
desempenho na gerao de energia eltrica.
apresentado ainda neste capitulo uma avaliao
qualitativa do sistema instalado em campo bem como
dos operadores do mesmo.
4.1 RESULTADOS LABORATORIAIS
A partir dos experimentos realizados em laboratrio, dois grupos de dados foram obtidos: um com
o motor operando apenas com leo (Tab. 4.1 e 4.2) e outro grupo com o sistema de gaseificao
gerando gs de sntese e o motor no modo duplo combustvel (Tab. 4.3).
Tabela 4.1 Dados obtidos utilizando-se apenas leo Diesel.
Data:
hh mm ss hh mm ss 1 2 3 (g/s) (kg/h) t (s)
1 19 13 28 212052 19 15 35 212521 1,29 1,30 1,30 1,30 4,67 127 13,294
2 19 15 35 212521 19 18 6 213079 1,30 1,34 1,34 1,33 4,78 151 13,303
3 19 18 35 213184 19 20 36 213611 1,20 1,21 1,21 1,21 4,34 121 12,704
4 19 20 36 213611 19 23 6 214131 1,19 1,19 1,18 1,19 4,27 150 12,480
5 19 23 23 214200 19 25 28 214604 1,06 1,06 1,06 1,06 3,82 125 11,635
6 19 25 28 214604 19 27 25 214972 1,06 1,07 1,06 1,06 3,83 117 11,323
6 19 27 46 215036 19 29 49 215349 0,83 0,82 0,82 0,82 2,96 123 9,161
7 19 29 49 215349 19 31 9 215546 0,82 0,82 0,82 0,82 2,95 80 8,865
8 19 32 48 215750 19 34 11 215927 0,71 0,72 0,72 0,72 2,58 83 7,677
9 19 34 11 215927 19 36 21 216186 0,71 0,71 0,72 0,71 2,57 130 7,172
10 19 36 50 216241 19 38 56 216439 0,62 0,58 0,62 0,61 2,18 126 5,657
11 19 38 56 216439 19 40 54 216629 0,63 0,67 0,67 0,66 2,36 118 5,797
12 19 41 23 216670 19 42 50 216756 0,48 0,53 0,51 0,51 1,82 87 3,559
13 19 42 50 216756 19 45 23 216918 0,51 0,51 0,51 0,51 1,84 153 3,812
14 19 45 55 216940 19 47 49 217005 0,43 0,42 0,45 0,43 1,56 114 2,053
15 19 47 49 217005 19 50 7 217079 0,42 0,42 0,41 0,42 1,50 138 1,930
16 19 50 45 217086 19 52 2 217086 0,33 0,33 0,33 0,33 1,19 77 0,000
Intervalo
de tempoPotncia
(kW)
COMBUSTVEL: LEO DIESEL13/11/2008
Tempo (t1)Medida (W.h)
Tempo (t2)Medida (W.h)
Carga
Inicial Final
SADA
Dbito mdioDbito (g/s)*
DADOS DE ENTRADA
QUADRO ELTRICO CONSUMO COMBUSTVEL
-
51
Tabela 4.2 Dados obtidos utilizando-se leo da amndoa de macaba.
Tabela 4.3 Dados obtidos utilizando-se leo de macaba e gs de sntese de macaba.
Na tabela (4.3) deve-se notar que os valores de carga giraram em torno de 8kW. Isto se deu
enquanto foi dado um ajuste fino no motor a fim de se reduziu ao mximo o dbito chegando-se,
assim, a 0,612 kg/h de consumo de leo de macaba. Este ajuste pode ser observado na figura (4.3).
O consumo de biomassa mdio foi calculado como sendo de 1 kg/kWh. Esta medida foi feita no
ensaio com leo de macaba.
4.2 CURVAS DE CONSUMO E DESEMPENHO
Com base nos dados das tabelas do item anterior, as seguintes curvas foram traadas:
Data:
hh mm ss hh mm ss 1 2 3 (g/s) (kg/h) t (s)
1 18 14 24 205048 18 16 17 205442 1,45 1,43 1,46 1,45 5,21 113 12,552
2 18 16 17 205442 18 18 23 205911 1,44 1,44 1,43 1,44 5,17 126 13,400
3 18 20 0 206226 18 21 8 206454 1,28 1,27 1,27 1,27 4,58 68 12,071
4 18 21 8 206454 18 23 5 206853 1,30 1,32 1,32 1,31 4,73 117 12,277
5 18 23 26 206910 18 26 4 207416 1,23 1,24 1,23 1,23 4,44 158 11,529
6 18 26 4 207416 18 27 59 207795 1,24 1,25 1,25 1,25 4,49 115 11,864
7 18 40 3 208893 18 42 21 209237 0,99 0,99 1,00 0,99 3,58 138 8,974
8 18 42 21 209237 18 44 57 209625 1,00 0,99 1,02 1,00 3,61 156 8,954
9 18 45 56 209742 18 47 50 209984 0,87 0,88 0,88 0,88 3,16 114 7,642
10 18 47 50 209984 18 50 8 210258 0,88 0,88 0,87 0,88 3,16 138 7,148
11 18 50 28 210296 18 52 34 210499 0,75 0,75 0,75 0,75 2,70 126 5,800
12 18 52 34 210499 18 54 44 210699 0,75 0,75 0,76 0,75 2,71 130 5,538
13 18 55 42 210775 18 58 6 210921 0,61 0,62 0,62 0,62 2,22 144 3,650
14 18 58 6 210921 19 0 1 211043 0,62 0,62 0,62 0,62 2,23 115 3,819
15 19 0 21 211058 19 2 36 211132 0,52 0,53 0,52 0,52 1,88 135 1,973
16 19 2 36 211132 19 4 6 211182 0,52 0,50 0,53 0,52 1,86 90 2,000
17 19 4 44 211192 19 6 57 211192 0,38 0,40 0,40 0,39 1,42 133 0,000
Dbito Mdio
SADAQUADRO ELTRICO CONSUMO COMBUSTVEL
Carga
Inicial FinalDbito (g/s)
Tempo (t1)
COMBUSTVEL:13/11/2008
DADOS DE ENTRADA
LEO DE AMNDOA DE MACABA
Medida (W.h)Tempo (t2)
Medida (W.h)
Intervalo
de tempoPotncia
(kW)
Data:
hh mm ss hh mm ss 1 2 3 (g/s) (kg/h) t *s+
5 22 39 20 32072 22 42 46 32251 0,12 0,12 0,12 0,12 0,432 206 3,128
6 22 47 3 32627 22 49 54 32890 0,22 0,22 0,21 0,22 0,78 171 5,537
7 22 50 51 32979 22 52 57 33173 0,23 0,18 0,19 0,20 0,72 126 5,543
8 22 54 6 33297 22 55 3 33426 0,19 0,22 0,22 0,21 0,756 57 8,147
9 22 55 33 33494 22 58 9 33847 0,23 0,21 0,19 0,21 0,756 156 8,146
10 22 58 51 33940 23 2 8 34385 0,25 0,23 0,25 0,24 0,876 197 8,132
11 23 5 1 34770 23 7 31 35108 0,19 0,20 0,21 0,20 0,72 150 8,112
12 23 7 56 35162 23 9 46 35412 0,21 0,22 0,20 0,21 0,756 110 8,182
13 23 9 57 35435 23 12 12 35731 0,20 0,16 0,16 0,17 0,624 135 7,893
14 23 12 31 35774 23 14 48 36082 0,16 0,18 0,17 0,17 0,612 137 8,093
15 23 15 13 36139 23 17 49 36490 0,16 0,19 0,17 0,17 0,624 156 8,100
Dbito (g/s)*
QUADRO ELTRICOSADA
Dbito MdioCarga
BIOMASSA: MACABA
11/08/2008
COMBUSTVEL:
Medida [W.h]
LEO DE MACABA
DADOS DE ENTRADA
CONSUMO COMBUSTVEL
Medida [W.h]
Final Intervalo
de tempoPotncia
[kW]Tempo (t1)
Inicial
Tempo (t2)
-
52
Figura 4.1 Curva de consumo de leo diesel (Tab. 4.1).
Figura 4.2 Curva de consumo de leo de macaba (Tab. 4.2).
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 11,0 12,0 13,0 14,0
Co
nsu
mo
[kg
/h]
Potncia [kW]
Consumo de leo diesel
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 11,0 12,0 13,0 14,0
Co
nsu
mo
[kg
/h]
Potncia [kW]
Consumo de leo de macaba
-
53
Figura 4.3 Curva de consumo de leo de macaba com auxlio de gs de sntese de macaba.
4.3 AVALIAO DO SISTEMA INSTALADO EM CAMPO
Trs semanas aps a comunidade obter autonomia de operao do sistema foi feita a primeira
inspeo qualitativa no equipamento. Para tal, foi seguido o roteiro da tabela (4.4). Os itens
observados sugerem que o sistema instalado em campo estvel e operacional.
Segundo relato dos moradores da comunidade, o nico problema encontrado at ento foi o
rompimento da flange de ligao do sistema admisso do motor. Este problema foi contornado pela
prpria comunidade que soldou a pea defeituosa e colocou novamente o sistema em funcionamento
sem maiores danos. Este tipo de atitude foi incentivado no treinamento afim de proporcionar maior
independncia por parte da comunidade na manuteno do sistema.
-
54
Tabela 4.4 Roteiro de avaliao qualitativa de sistemas de gaseificao de biomassa.
Avaliao Observaes
Apreciao qualitativa SatisfatriaSistema apresentou aparente
confiabilidade e desenho operacional
Sistema de armazenagem
(autonomia)Satisfatria Biomassa secada e estocada sob lona
Sistema de alimentao InsatisfatriaSistema no funciona devido
inadequao do parafuso transportador.
Reator e subsistemas Satisfatria Equipamento funcionando
Sistema de tratamento dos gases Satisfatria Equipamento funcionando
Sistema de retirada de cinzas Satisfatria Funcional
Sistema de coleta de particulados Satisfatria Funcional
Sistema de proteo ao operador Insatisfatria
Apesar do uso de Equipamentos de
proteo individual necessario ainda
cuidado maior com proteo coletiva
Sistema de alimentao de gs Satisfatria
Controle de Detonao Satisfatria At momento no apresenta detonao
Sistema de partida da unidade Satisfatria Ainda manual
Sistema de parada da unidade Satisfatria Ainda manual
Estabilidade operacional do
conjuntoSatisfatria
Sistema apresenta estabilidade sendo
capaz de suprir s necessidades da
comunidade
Estimativa do consumo de
biomassa4kg/h
Valor estimado a partir do depoimento dos
operadores locais
Nvel de condensao na linha Satisfatria
Baixa quantidade de condensados
retirada em manuteno do trocador de
calor
Pla
nta
de
Ga
se
ific
a
oM
oto
rIn
teg
ra
o S
iste
ma
sD
ese
mp
en
ho
Local: Veredozinho, Correntina-BA
Data: 15/11/08
Avaliao de qualitativa do sistema de gaseificao de biomassa
Aspecto observado
-
55
5 CONCLUSES
Neste captulo sero feitas as consideraes finais do
projeto de graduao ponderando as metas propostas
os avanos alcanados em laboratrio e em campo
bem como sugestes para possveis projetos que dem
seqncia ao trabalho realizado.
5.1 CONCLUSES
Os dados obtidos neste trabalho indicam a viabilidade do projeto e instalao de uma central de
gerao eltrica de 5 kW por gaseificao de biomassa. A relativa simplicidade de operao e o baixo
custo de implantao tornam atrativa a utilizao desta tecnologia para eletrificao de comunidades
isoladas, sendo assim, uma possvel soluo de falta de energia eltrica em regies de difcil acesso
s linhas convencionais.
Os ensaios feitos com o motor operando no modo duplo combustvel, com gs de sntese da
macaba, apresentaram uma economia mdia de 60% no consumo de leo combustvel podendo, com
um ajuste fino do dbito no motor, chegar at 80% de economia. Em campo, a unidade mostrou-se
estvel e confivel no apresentando falhas em seu sistema principal estando j em uso e suprindo a
comunidade de Veredozinho com energia eltrica de qualidade.
Por ser um sistema de fcil operao e manuteno, a comunidade mostrou sinais de apropriao da
tecnologia logo no inicio do treinamento dos operadores. O fato de no haver partes mveis no
sistema de gaseificao e de j existir uma afinidade por parte dos moradores da comunidade com
motogeradores diesel facilitou o processo de aprendizado. Acredita-se que com esta tecnologia, a
comunidade ter um cenrio propcio ao incremento do ndice de desenvolvimento huma