Solucoes Energeticas para A Amazonia Biomassa
Solucoes Energeticas para A Amazonia Biomassa
Solucoes Energeticas para A Amazonia Biomassa
1 Edio
Braslia
Ministrio de Minas e Energia
2008
Coordenador Geral:
Eduardo Jos Fagundes Barreto
Autores:
Gonalo Rendeiro (Coordenador)
Manoel Fernandes Martins Nogueira (Editor)
Augusto Csar de Mendona Brasil
Daniel Onofre de Almeida Cruz
Danielle Regina da Silva Guerra
Emanuel Negro Macdo
Jorge de Arajo Ichihara
Co-autores:
Andr Augusto Azevedo Montenegro Duarte
Antonio Geraldo de Paula Oliveira
Hendrick Maxil Zrate Rocha
Robson Evilcio de Jesus Santos
Sergio Aruana Elarrat Canto
Wilson Negro Macdo
isbn 978-85-98341-05-7
Inclui bibliografia.
1. Energia Fontes alternativas Brasil.
2. Recursos energticos Brasil. 3. Biomassa
florestal. 4. Biomassa vegetal. I. Rendeiro, Gonalo.
II. Brasil. Ministrio das Minas e Energia. III. Srie.
Sumrio
Apresentao................................................................................................... 11
Prefcio........................................................................................................... 13
Pr-tratamento da biomassa........................................................................ 64
4.1 Secagem.........................................................................................................64
4.2 Torrefao.....................................................................................................65
4.2.1 Tecnologias de Torrefao................................................................................ 65
4.2.2 Aplicaes da Torrefao................................................................................. 66
4.2.3 Perspectivas ..................................................................................................... 66
4.3 Briquetes.......................................................................................................66
4.3.1 Vantagens da utilizao de briquetes............................................................... 67
4.3.2 Sistema de produo de briquetes................................................................... 67
4.3.3 Perspectivas...................................................................................................... 68
4.3.4 Comercializao............................................................................................... 69
4.3.5 Fornecedores Nacionais.................................................................................... 69
4.4 Pletes..........................................................................................................69
4.4.1 Sistema de produo de pletes...................................................................... 70
4.4.2 Perspectivas..................................................................................................... 70
4.4.3 Fabricantes Internacionais............................................................................... 71
4.5 Triturao.......................................................................................................71
rocessos de Converso Energtica da Biomassa. ............................................ 73
P
5.1 Diferena entre Combusto e Gasificao.........................................................73
5.2 Centrais a Combusto Utilizando Turbinas ou Motores a Vapor........................74
5.3 Centrais com Gasificao Utilizando Motores do Ciclo Otto ou Diesel...............75
5.4 Inconvenientes da Combusto e da Gasificao...............................................76
5.5 Critrios para Escolha da Tecnologia................................................................77
10
11
12
Computacional......................................................................................... 178
12.1 Software cicloRank v1.0 .................................................................................178
12.1.1 Dados................................................................................................................ 178
12.1.2 Como Funciona................................................................................................. 179
12.2 Software COMGAS v1.2.................................................................................179
12.2.1 Introduo de dados........................................................................................ 180
12.2.3 Limitaes e Recomendaes.......................................................................... 182
10
Apresentao
O Programa Luz para Todos, maior programa de eletrificao rural j feito no Brasil, j realizou,
desde a sua criao em novembro de 2003, at outubro de 2008, mais de um milho e oitocentas
mil ligaes domiciliares em todo o Pas, correspondendo a mais de nove milhes de beneficiados
na zona rural brasileira. Essas ligaes foram realizadas essencialmente por extenso de rede
convencional.
Na Regio Amaznica, as longas distncias, os obstculos naturais, as dificuldades de acesso
e a baixa densidade populacional dificultam o atendimento de grande parte da populao pelo
sistema convencional de distribuio. Por outro lado, o atendimento alternativo, com sistemas
trmicos a diesel, muito utilizados na Regio, apresenta custos elevados associados operao
e manuteno e logstica de distribuio do combustvel.
Para vencer as dificuldades de eletrificar as comunidades rurais isoladas da Amaznia, o
Ministrio de Minas e Energia mme promoveu, no mbito do Programa Luz para Todos, com
o apoio de recursos financeiros no reembolsveis do Fundo Multilateral de Investimentos do
Banco Interamericano de Desenvolvimento fumin/bid, uma srie de atividades destinadas ao
desenvolvimento e implantao de projetos de gerao de energia eltrica de pequeno porte e a
capacitao de profissionais, principalmente das concessionrias da Regio, para a implantao
de solues energticas alternativas a partir de fontes renovveis de energia.
Entre essas atividades se destaca a produo da presente coleo, denominada Solues
Energticas para a Amaznia, constituda de 5 volumes, que abordam as seguintes tecnologias de
gerao de energia renovvel: i) Pequenos Aproveitamentos Hidroeltricos; ii) Sistemas Hbridos; iii)
Biodiesel e leo Vegetal in Natura; iv) Combusto e Gasificao de Biomassa Slida; v) uma verso
resumida de todas as tecnologias descritas anteriormente, intitulada Tecnologias de Energias
Renovveis.
O uso dessas tecnologias a partir de recursos locais disponveis na Amaznia, principalmente
a biomassa e os pequenos aproveitamentos hidroeltricos, tem sido pouco considerado por um
conjunto de questes relacionadas cultura das concessionrias, sedimentada na extenso de
rede eltrica, ou falta de informao quanto viabilidade tcnica e econmica das tecnologias
relacionadas a esses potenciais. As iniciativas para viabilizar o uso dessas alternativas, no horizonte de mdio e longo prazos, requerem aes imediatas.
Entretanto, solues energticas alternativas para a Amaznia devem ser buscadas, no para
substituir o atendimento convencional, mas principalmente como complemento, pelo menos at
o tempo em que a maturidade tecnolgica se revele para as concessionrias da Regio. Alm da
energia, essa gerao apresenta grandes perspectivas para a renda local, com o aproveitamento
de recursos da regio, a fim de diversificar a matriz energtica e tambm reduzir os custos de
transporte de combustveis.
Solues energticas estruturadas a partir da disponibilidade local de energia primria podem
11
ser uma alternativa vivel e sustentvel para eletrificar essas reas. Para isso, este Ministrio
tem trabalhado em diversas frentes, desde a realizao de projetos-piloto com tecnologias renovveis para o atendimento de comunidades da Regio Amaznica, at a realizao de cursos de
capacitao em tecnologias renovveis, apropriadas para a Regio, para as concessionrias e
outros interessados.
Assim, essa iniciativa do mme, de difundir o conhecimento sobre tecnologias de gerao de
energia alternativas para atendimento de comunidades isoladas, busca construir o alargamento
de opes para o futuro, prestigiando o conhecimento das opes locais. outro enfoque, complementar s solues concretas posta em marcha pelo Programa luz para todos LpT.
12
Prefcio
A Amaznia um desafio desde que foi descoberta pela civilizao europia. Primeiramente
sob o domnio da coroa espanhola, assenhoreada de quase toda Hylea pelo Tratado de Tordesilhas, foi conquistada, ao longo dos sculos xvi a xviii, em mais uma das memorveis epopias
portuguesas. Fato registrado, sob protesto, pelo padre jesuta Samuel Fritz, alemo, missionrio
da Igreja espanhola na Amrica, que em sua saga pelo Amazonas, desde a provncia de Quito a
Belm do Par, buscou proteger as misses espanholas que se estendiam at as barras do Rio
Negro. Reclamou os direitos da igreja e coroa espanhola junto ao governador do Maranho e
Gro-Par, contra os excessos dos portugueses, que como verdaderos piratas de los rios que
pertencian ao domnio de Castilha, llevabn cautivos y hacian esclavos cuantos ndios encontraban...1. Em sua viagem cartografou o grande rio e seus tributrios, mapa de grande valor,
primeiramente reproduzido pelos ingleses2.
Paul Marcoy3 , viajante francs, em famoso priplo pelo Amazonas em meados do sculo XIX,
ao dar com a aparncia triste e desolada das cidades ribeirinhas abandonadas, e com o impacto
do colonizador sobre o nativo e a natureza, opina que as conquistas portuguesas e espanholas
lanaram nos pases subjugados e nos seus povoados os germes da destruio e no as sementes da vida. Mais, nas suas palavras: que a regenerao desse belo pas tarefa acima das suas
foras e que um futuro vir na forma de uma migrao europia, abundante de gnio e vigor
natural.
Esqueceu-se Marcoy que Espanha e Portugal so parte do gnio e vigor natural do Velho
Continente?
Euclides da Cunha viajou pelo Purus e outros rios importantes da plancie Amaznia; legou-nos
brilhantes relatos4 do que viu e do que sentiu. Contradizendo Marcoy, desfia vigorosa e potica
narrativa sobre a migrao nordestina para os confins do Acre, designando-a como uma seleo
natural invertida, na qual todos os fracos, todos os inteis, todos os doentes e todos os sacrificados, eram expedidos a esmo, como o rebotalho das gentes, impelidos pelas grandes secas de
18791880, 18891890, 19001901, para ocupar a vastssima, despovoada, quase ignota Amaznia,
o que equivalia a expatri-los dentro da prpria ptria. A interveno governamental se resumia
tarefa expurgatria para livrar os grandes centros urbanos. Segundo ele, os banidos levavam a
1 O dirio do Padre Samuel Fritz, organizado por Renan Freitas Pinto. Editora da Universidade do Amazonas. Manaus, 2006
2 A frota espanhola que, entre outras coisas, levava o mapa para a Espanha, foi atacada e aprisionada por navios ingleses
em 1708. Rodolfo Garcia. Introduo. O dirio do Padre Samuel Fritz, organizado por Renan Freitas Pinto. Editora da
Universidade do Amazonas. Manaus, 2006
3 Viagem pelo Rio Amazonas. Editora da Universidade Federal do Amazonas. Manaus, 2006.
4 Um Clima Caluniado, in Amaznia Um Paraso Perdido. Editora Valer Universidade Federal do Amazonas. Manaus, 2003.
13
14
15
cerca de 400 profissionais, um bsico (40h), realizado simultaneamente nas noves capitais da
Amaznia Legal, e um avanado (160h), realizado nas universidades acima citadas. Esses treinamentos foram realizados entre novembro de 2007 e maio de 2008, ambos apoiados por manuais
de elaborao de projetos nas tecnologias acima citadas, tambm preparados no mbito dessa
cooperao tcnica.
O ltimo produto dessa bem sucedida cooperao tcnica a presente coleo de livros
Solues Energticas para a Amaznia, sendo que quatro deles representando um conjunto
de tecnologias e um volume com a sntese das tecnologias apresentadas: i) Sistemas Hbridos;
ii) Pequenos Aproveitamentos Hidroeltricos; iii) Combusto e Gasificao de Biomassa Slida;
iv) Biodiesel e leo Vegetal in Natura; e v) Tecnologias de Energias Renovveis. Espera-se que
esses livros se constituam como referncia para o setor eltrico, principalmente quando se for
dada a necessria ateno ao atendimento de comunidades isoladas.
Para finalizar, gostaria de agradecer a todos aqueles que colaboraram ativamente com a execuo desse projeto, primeiramente, os professores/pesquisadores que meteram a mo na massa,
verdadeiros artfices: Joo Tavares Pinho, que coordenou o tema sistemas hbridos e Gonalo
Rendeiro e Manoel Nogueira que coordenaram combusto e gasificao de biomassa, e suas
respectivas equipes, todos da ufpa; Geraldo Lcio Tiago, da Unifei, que embora no sendo da
Amaznia, juntamente com sua equipe desenvolveu alguns projetos bem sucedidos de pequenos
aproveitamentos hidroeltricos na regio e Antonio Cesar Pinho Brasil Jr. e Rudi Van Els, da UnB,
que tambm contriburam nessa rea com seus conhecimentos em turbinas hidrocinticas; Jos
de Castro Correia, da ufam, que com o providencial apoio da prof Wilma de Arajo Gonzalez
e equipe, do ime, coordenaram o tema produo de biodiesel e de leo vegetal in natura para
uso em motores de combusto interna.
Ao professor Roberto Zilles, da usp, responsvel por um dos mais bem sucedidos projetos
do CT-Energ,2003, que aceitou fazer a reviso tcnica do livro Sistemas Hbridos, trabalho que
executou com entusiasmo desinteressado. E ao professor Gutemberg Pereira Dias, pela disposio em discutir todos os assuntos referentes s tecnologias em pauta, em especial o uso de
biocombustveis em motores de combusto interna; ele tambm procedeu a uma reviso tcnica
das publicaes que trataram desse tema.
No mme esse projeto contou com o firme apoio de Antonio Joo da Silva, que, arrisco dizer,
sem ele no teria sido possvel. Esteve presente desde a concepo e acompanhou todo o processo
de execuo, sempre buscando apresentar as solues quando o projeto encontrava dificuldades
no seu cumprimento. Mobilizou toda a sua equipe para viabilizar o projeto: Eder Julio Ferreira
e Manoel Antonio do Prado, sempre trabalhando com muita diligncia, e a Manuela Ordine
Lopes Homem Del Rey, Alessandro Ferreira Caldeira e Samuel da Silva Lemos, pela presteza e
competncia no apoio.
Devemos agradecimentos ainda a Armando Cardoso, Assiz Ramos e Roberto Flaviano Amaral,
sempre muito solcitos para o atendimento de demandas do projeto, e a Marcelo Zonta, que na
execuo de uma das suas partes mais difceis, a capacitao simultnea de 370 profissionais nas
nove capitais da Amaznia, gentilmente cedeu parte da sua equipe, que acabou por contribuir
de forma decisiva para o sucesso do evento: Carla Segui Scheer, que ajudou com muita eficincia
a coordenao dos trabalhos, Aron Costa Falek, Elane da Cunha Muiz Caruso e Luis Henrique
dos Santos Bello.
Ainda um agradecimento muito especial a Lucia Mitico Seo e Jos Renato Esteves Jnior,
16
sempre dispostos a discutir assuntos do projeto, principalmente quando se tratava das propostas
de arte das publicaes.
Por fim, sinceros agradecimentos a Dr. Helio Morito Shinoda, Diretor do Programa Luz para
Todos, e demais integrantes da equipe.
No bid, os agradecimentos vo para Dr. Ismael Glio, especialista setorial, que acreditou
no projeto, apesar de todas as dificuldades por que passamos, e tambm sua fiel escudeira,
Marlia Santos.
As opinies constantes neste prefcio, bem como aquelas expressas nos livros desta coleo,
so de exclusiva responsabilidade dos seus autores.
17
18
1.1 Introduo
O sistema de produo e transmisso de energia eltrica do Brasil um sistema de dimenses
continentais que liga as regies Sul, Sudeste, Centro-Oeste, Nordeste e parte da regio Norte.
O sistema hidrotrmico de grande porte com a caracterstica de possuir forte predominncia
de usinas hidreltricas com mltiplos proprietrios estatais e privados. O sistema eltrico
brasileiro formado por empresas das regies Sul, Sudeste, Centro-Oeste, Nordeste e Norte.
A conexo de empresas entre as vrias regies formam um sistema de coordenao e controle,
que congrega o sistema de produo e transmisso de energia eltrica do Brasil, conhecido por
Sistema Interligado Nacional sin. Apenas 3,4% da capacidade de produo de eletricidade do
pas encontram-se fora do sin, em pequenos sistemas isolados.
O sistema eltrico brasileiro dividido em dois grandes subsistemas, alm de diversos sistemas
isolados.
Subsistema Sul/ Sudeste/ Centro-Oeste (S/ SE/ CO).
Subsistema Norte/ Nordeste (N/ NE).
Sistemas isolados do Norte.
19
A figura 1.1 ilustra a representao dos limites de intercmbio de energia do sin. Esta configurao
apresenta os subsistemas Norte, Nordeste, Sudeste-Centro-Oeste e Sul, alm do n fictcio de
Imperatriz (MA).
20
21
Estado
Concessionria
ACRE
AMAP
AMAZONAS
ELETRONORTE
24
94,4
ELETROACRE
78
44,2
ELETRONORTE
39
178,1
CEA
13
17,6
MANAUS ENERGIA
103
1.332,1
CEAM
435
358,8
CELPA
151
101,5
PAR
JARI CELULOSE
13
70,6
ELETRONORTE
12
614,1
CERON
161
106,0
03
62,0
22,6
RONDNIA
RORAIMA
N de Unidades (2008)
CER
75
MARANHO
CEMAR
03
0,9
MATO GROSSO
CEMAT
157
65,1
1267
3068,0
Verificado em 2007
Plano 2008
936,2
1.107,0
65,4
70,9
4,3
5,5
Total
1.005,9
1.183,4
Tabela 1.2 Previso de Gerao Trmica Verificada em 2007 Plano 2008 (Fonte: Plano de Operao 2008- Sistemas
Isolados GTON)
Estado
Concessionria
N de Unidades (2008)
UHE
PCH
UHE
PCH
MANAUS ENERGIA
05
250,0
ELETRONORTE
05
216,0
CERON
29
96,0
RORAIMA
CER
02
5,0
AMAP
ELETRONORTE
03
78,0
CELPA
06
40,0
ELETRONORTE
28
AMAZONAS
RONDNIA
PAR
CEMAT
MATO GROSSO
Total Parque Hidrulico
8.400,3
03
2,7
41
40
8944,3
143,7
Tabela 1.3 Nmero de Unidades Geradoras e Potncia Instalada em 2008 Parque Gerador Hidrulico.
22
23
24
25
Com a escassez cada vez maior dos recursos disponveis para investimentos no setor eltrico, foi
estabelecida a necessidade de abrir a possibilidade de entrada de recursos privados, principalmente
na gerao de energia eltrica. Surge a Lei n 9.074 de 07 de julho de 1995, a qual possibilitou
a operao dos Produtores Independentes de Energia pie, estando estes sujeitos a regras
operacionais e comerciais prprias.
A Lei n 10.438 ampliou o prazo para o trmino do benefcio da ccc nos sistemas isolados
para 2022.
(equao 1.1)
Onde Vi o valor mensal a ser pago; Energia Medida a quantidade de energia gerada no ms
pelo empreendimento que deslocou o consumo de combustvel fssil que provocou a reduo
do encargo da ccc; K um coeficiente de incentivo acelerao da entrada do empreendimento
(K=0,9 se entrada at 2009, se entrada antes de 2009 K=0,7 e se entrada aps 2014 K=0,5); CoEs
o consumo especfico mximo dos motores que a ccc paga o combustvel = 0,3 l/kWh; PC o
Preo do Combustvel deslocado; teh = Tarifa de Energia Hidrulica = 63,14 R$/MWh em 2008.
O valor da sub-rogao limitado a 75% do valor do investimento do projeto. Exceto para
empreendimentos de transmisso e distribuio que tero direito a reembolso de 100% do
investimento. Para saber o valor desse limite, o empreendedor deve submeter aneel a planilha
de custos do empreendimento. Em 2008, 0 gton prev pagar de sub-rogao R$158 milhes,
ou seja, 4,2% do valor previsto para a ccc em 2008.
Desde 2001, 36 empreendimentos tiveram autorizados pela aneel o direito de receber a subrogao da ccc: 15 pchs, 8 linhas de transmisso, 1 linha de distribuio, 3 reforos de rede, 4
sub-estaes, 1 usina termoeltrica a biomassa e 4 eficientizaes de unidades termoeltricas.
26
1.6 C
entrais Termoeltricas a Biomassa na
Amaznia
Somente uma usina de biomassa solicitou sub-rogao da ccc (Usina de Itacoatiara, AM). O motivo
disso so dois fatores: o desconhecimento da tecnologia e a disponibilidade de biomassa.
A tecnologia de centrais trmicas a biomassa ainda no foi absorvida pelas concessionrias
do setor eltrico da regio Norte e ela est entrando na nessa regio via iniciativa privada para
uso prprio. Somente a usina de Itacoatiara fornece para a concessionria de distribuio. Isso
justifica a pequena quantidade de solicitaes de sub-rogao. Na Tabela 1.4 abaixo est uma
lista de ute a biomassa operando na regio Norte em 2007.
Propriedade
Local de Instalao
Potncia (MW)
Itacoatiara-AM
9,0
Itacoatiara-AM
5,0
Belm-PA
1,5
Belm-PA
0,4
Paragominas -PA
1,25
Belm-PA
0,2
Intel Ltda.
Breves-PA
0,7
Madenorte S.A.
Breves-PA
3,0
Tom-A-PA
1,0
27
Quanto aos aspectos ambientais, uma central a biomassa possui balano de carbono lanado
na atmosfera muito menor que a das centrais com combustveis fsseis, pois somente o carbono
lanado devido ao transporte da biomassa, que feito com leo diesel, adicionado na atmosfera.
O restante recirculado durante a produo da biomassa, pois biomassa vegetal um combustvel
renovvel. Essas centrais tambm possuem capacidade de resolver o problema ambiental dos
passivos de resduos vegetais que so abandonados ou queimados a cu aberto.
Quanto aos aspectos scio-econmicos, centrais a biomassa tem a capacidade de serem
integradas economia local, pois ela gera mais empregos, diretos e indiretos, que uma central
diesel, inclusive com posies menos qualificadas que podem ser ocupadas por pessoal local e
movimenta a economia local atravs da compra e transporte da biomassa.
Finalmente, como ser visto no captulo 6, o custo do kWh gerado tem valor muito inferior ao da
gerao diesel e inferior ao preo para os consumidores finais de eletricidade das concessionrias.
Esse valor no competitivo com a gerao hdrica, mas competitivo com qualquer outra gerao
trmica. Essas centrais podem operar por longos perodos de tempo sem interrupo (requer
250 h/ano de parada para manuteno), e atendem as exigncias de dec e fec da aneel.
28
29
(equao 2.1)
Nessa reao, os reagentes so o metano e o oxignio, que reagem entre si formando os produtos
CO2 e H2O, liberando o calor de reao. Note que, para essa reao acontecer, preciso quantidades
exatas de tomos envolvidos. Para cada tomo de carbono, preciso dois tomos de oxignio
para formar CO2 e para cada dois tomos de hidrognio preciso fornecer um tomo de oxignio
para formar uma molcula de gua. Essa reao com quantidades de combustvel e oxidante nas
quantidades exatas denominada de reao estequiomtrica. A quantidade de oxidante numa
reao estequiomtrica depende do combustvel e obtida a partir do balano de tomos dos
reagentes e dos produtos.
A ttulo de exemplo, suponha que se deseja queimar metano na presena de oxignio puro
(sem nitrognio). Deseja-se ento calcular a quantidade de oxignio necessria. O passo inicial
assumir que o combustvel sempre uma molcula de metano. Calcula-se ento a quantidade
de oxignio pelo balano de tomos. Assumindo que os produtos so somente CO2 e H2O:
CH4 + xO2 aCO2 + bH2O
(equao 2.2)
C 1 = 1.a: Nos reagentes existe somente um tomo de C e nos produtos esse tomo formar
CO2 , ou seja, 1*a tomos de carbono. Conseqentemente, a=1.
H 4 = 2.b: Nos reagentes existem quatro tomos de hidrognio que devero aparecer nos
produtos formando gua. A quantidade total de tomos de hidrognio nos produtos 2.b.
Conseqentemente, b=2.
O2.x = 2.a + 1.b: Nos reagentes existem 2.x tomos de oxignio que, aps reagir, dever
ser a mesma quantidade nos produtos, distribudo entre CO2 e H2O, ou seja, 2.a mais 1.b.
Conhecendo os valores de a e b, obtm-se o valor de x=2 que a quantidade de tomos
escrita na reao 1 para o oxignio.
Para controlar o processo de combusto, preciso saber as massas de combustvel e oxignio
a ser fornecido, e no o nmero de molculas. Na reao 1, ao invs de fazer os clculos para uma
23
molcula, ser feito para um mol. Um mol possui 6,02210 molculas (nmero de Avogadro).
A massa de um mol de cada elemento da frmula qumica. A massa de um mol de carbono
12g; de hidrognio 1g; de oxignio 16g; de nitrognio 14g (ver tabela peridica para outros
elementos). As massas ento sero:
CH4 1 .12 +4 . 1 = 16g
O2 2 . 16 = 32g
30
(equao 2.3)
Note que o nitrognio no reagiu. 7,52 mols de nitrognio para cada mol de CH4 foram introduzidos
nos reagentes da reao (210,56g de N2 para cada 16g de CH4) e eles aparecem integralmente
nos produtos. A presena de nitrognio reduz a temperatura da chama, e conseqentemente, a
temperatura dos gases resultantes da combusto, pois absorve o calor liberado pela reao para
elevar sua temperatura. Sem a presena de nitrognio, a temperatura da chama pode ultrapassar
os 2000C, temperatura capaz de derreter as paredes da cmara de combusto. A desvantagem
da presena do nitrognio que a altas temperaturas ele se dissocia e se associa com o radical
oxignio livre formando NO. NO reage com oxignio do ar formando oznio, que um poluente.
Processos de combusto normalmente usam ar.
Pela reao (2.3), possvel fazer o balano de massas entre reagentes e produtos.
Reagentes CH4 1 . 16 = 16g
O2 2 . 32 = 64g
N2 2 . 3,76 . 28 = 210,56g
Total=290,56g
Total=290,56g
Note que a massa total dos reagentes conservada nos produtos mesmo com o desaparecimento
do combustvel e oxidante e surgimento de CO2 e H2O. Esse o princpio de conservao de
massa e se aplica a qualquer reao. O fluxo de massa dos reagentes tem que ser igual ao fluxo
de massa dos produtos. Previamente foi definido o conceito de razo oxignio-combustvel. Para
o caso de combusto com ar, preciso definir a razo ar-combustvel.
Razo ar-combustvel
massa de ar
=
massa de combustvel
(equao 2.4)
31
Aplicando a equao (2.4) para o caso da combusto de metano e ar, a razo ar-combustvel
ser:
64 + 210,56
g de ar
est = = 17,16
16
g de metano
Essa a razo ar-combustvel estequiomtrica. Este texto adotar que se mais ar for adicionado
do que o ar estequiomtrico, a mistura ser pobre (por enquanto se paga somente pelo
combustvel) e ocorrer > est. Se menos ar for adicionado combusto que o requerido pela
reao estequiomtrica, a mistura reagente ser denominada rica e ter < est. Reagentes pobres
e ricos tero diferentes produtos como ser visto na prxima seo. Diferentes combustveis
possuem diferentes razes ar-combustvel. Veja o exemplo a seguir.
Deseja-se saber qual a razo ar-combustvel estequiomtrico para queimar butano, assumindo
que o ar seco, que os produtos so somente CO2 , H2O e N2 e no existe dissociao dos
produtos.
A frmula qumica do butano C4H10 (frmula qumica de combustveis pode ser obtida em
livros-textos de Termodinmica e Combusto). Escrevendo a reao estequiomtrica baseado
no balano de tomos obtm-se:
C4H10 + x(O2 + 3,76N2)
C1.4=a.1
H 1 . 10 = b . 2
Ox.2=a.2+b.1
N x . 3,76 . 2 = c . 2
ento
C4H10 + 6,5(O2 + 3,76N2) 4CO2 + 5H2O + 24,44N2
O balano de massa
Reagentes C4H10 1 . 58 = 58g
O2 6,5 . 32 = 208g
Total = 950,32g
N2 6,5 . 3,76 . 28 = 684,32g
Produtos CO2 4 . 44 = 176g
H2O 5 . 18 = 90g
Total = 950,32g
N2 24,44 . 28 = 684,32g
A razo ar-combustvel estequiomtrica ento ser
208 + 634,32
g de ar
est = = 15,38
58
g de butano
32
Numa mistura pobre, existe excesso de oxignio. Supondo no existir dissociao, o excesso
de oxignio no tem com quem reagir e passa pela chama como se fosse um inerte e aparece nos
produtos. Ento os produtos de uma mistura pobre sero CO2, H2O, N2 e O2. Veja a reao (2.5);
CH4 + 3(O2 + 3,76N2) CO2 + 2H2O + 11,28N2 + O2
Onde:
(equao 2.5)
96 + 315,84
g de ar
= = 25,74
16
g de metano
Numa mistura rica, existe falta de oxignio. Supondo no existir dissociao, falta oxignio para
reagir com todo o carbono e hidrognio disponvel, propiciando a formao de CO e H2 . Ento
os produtos de uma mistura rica so sero CO2 , H2O, N2 , CO e H2 . Veja a reao (2.6).
CH4 + 1(O2 + 3,76N2) 0,18CO2 + 0,82H2O + 3,76N2 + 0,82CO + 1,18H2
(equao 2.6)
Note que para escrever a reao global de misturas ricas preciso conhecer a partio do carbono
e do hidrognio do combustvel entre CO2 e CO e entre H2O e H2, respectivamente. Essa partio
depende da temperatura e presso em que a reao ocorre. O valor dessas parties pode ser
calculado atravs da teoria do equilbrio qumico que vai alm do escopo deste texto e pode
ser encontrado nos textos de Termodinmica e Combusto, entre outros. Os valores na reao
(2.6) foram obtidos assumindo que a reao ocorre a presso de 1 atm e temperatura de 1700 K
utilizando o programa ComGas v1.0 descrito no Captulo 13 deste texto e est no CD em anexo
a este livro. A razo ar-combustvel para essa reao , ento
32 + 105,28
g de ar
= = 8,58
16
g de metano
No processo de combusto busca-se consumir todo o combustvel uma vez que ele o componente
pago da mistura. Nesses processos usam-se sempre os reagentes com misturas pobres (excesso de
ar). Aumentando o excesso de ar causa a reduo da temperatura da chama, o que indesejvel.
Como nmero referncia, a combusto deve ser feita com aproximadamente 3% de excesso de
oxignio (~15% de excesso de ar). No processo de gasificao, busca-se converter o combustvel
em CO e H2 , e indesejvel produzir CO2 e H2O. Assim sendo, esse projeto feito em falta de
oxignio, excesso de combustvel, caracterizando que os reagentes so uma mistura rica. Esses
processos geralmente operam com 30% da quantidade de ar estequiomtrico.
Apesar de bastante empregado nas operaes de plantas de combusto e gasificao, o
nmero razo ar-combustvel s faz sentido se for conhecido o valor da razo ar-combustvel
estequiomtrica. Por exemplo, informar que o processo de combusto de metano est ocorrendo
com razo ar-combustvel de 20 no permite saber se a mistura rica ou pobre. preciso previamente
saber que a razo ar-combustvel estequiomtrico do metano 17,2. Como 20 > 17,2 ento pode-se
concluir que a mistura pobre. Para contornar esse problema, a razo de equivalncia foi criada.
Razo de equivalncia definida como a razo combustvel-ar dos reagentes pela razo
combustvel-ar em condio estequiomtrica. Essa definio vlida tanto na base molar quanto
na base mssica. Alguns autores preferem utilizar a razo de equivalncia definida como razo
ar-combustvel utilizada nos reagentes pela razo ar-combustvel na condio estequiomtrica.
33
Nar
mar
= =
Ncomb
mcomb
Nar est
mar est
(equao 2.7)
Onde Ncomb e Nar so os nmeros de moles do combustvel e do ar na mistura que est sendo
empregado e (Ncomb/Nar)est a razo combustvel-ar estequiomtrico. Nesta definio de >1, a
mistura rica e se <1, a mistura pobre. Note que a massa da substncia pode ser calculada
utilizando o nmero de moles e peso molecular como mostrado no item 3.1.2 pela expresso
m = N . PM
(equao 2.8)
Onde m massa (g), N o nmero de moles e PM o peso molecular da espcie qumica. Substituindo a equao (2.8) nas razes molares da equao (2.7), obtm-se as razes mssicas da
equao (2.7).
A ttulo de exemplo, vamos calcular as razes de equivalncia das reaes (2.3), (2.5) e (2.6).
Para a reao (2.3), que a estequiomtrica, ( = 1.
Ncomb
1
Nar
2 . 4,76
= = = 1
Ncomb
1
Nar est
2 . 4,76 est
Para a reao (2.5), que um mistura pobre, ( < 1
Ncomb
1
Nar
3
= = = 0,66
Ncomb
1
Nar est
2 est
Para a reao (2.6), que um mistura pobre, ( < 1
Ncomb
1
Nar
1
= = = 2
Ncomb
1
Nar est
2 est
34
(equao 2.9)
(equao 2.10)
(equao 2.11)
Onde PMi o peso molecular da espcie i, PMtotal o peso molecular da mistura. PMtotal pode
ser calculado com a expresso:
n1 NiPMi n
PMtotal = = 1 XiPMi
Ntotal
(equao 2.12)
Exemplo: Deseja-se reagir acetileno (C2H2) e ar na = 0,5. Assumindo que o ar tem 5% de umidade
e que no ocorre dissociao, calcule a razo ar-combustvel a ser imposta nos reagentes e as
fraes molares e mssicas dos produtos.
Inicie determinando a reao estequiomtrica para o acetileno
C2H4 + x(O2 + 3,76N2 + 0,24H2O) aCO2 + bH2O + cN2
Fazendo o balano de tomos obtm-se como reao estequiomtrica:
C2H4 + 3(O2 + 3,76N2 + 0,24H2O) 2CO2 + 2,72H2O + 11,28N2
Como os reagentes esto sendo supridos cmara de combusto com = 0,5 (mistura pobre,
35
excesso de ar), preciso calcular a real quantidade de ar que admitida no combustor. Usando
a equao 2, obtm-se:
1
x
= 0,5 =
1
3 est
Nar pode ento ser calculado sendo Nar= 6. Ento a reao real :
C2H4 + 6(O2 + 3,76N2 + 0,24H2O) 2CO2 + 3,44H2O + 22,56N2 + 3O2
A razo ar-combustvel dessa reao ser
6 . (32 + 3,76 . 28 + 0,24 . 18)
= = 30,3 g de ar/g de acetileno
1 . 28
As fraes molares dos reagentes so
1
1
XC H = = = 6,2%
1 + 3 . (1 + 3,76 + 0,24) 16
2
6
XO = = 18,8%
16
2
28
XN = 11, = 70,5%
16
2
72
XH O = 0, = 4,5%
16
2
Note que a somatria das fraes molares dos reagentes igual a 1. Note tambm o grande teor
de N2 diluindo o reagente. Da mesma forma encontra-se a frao molar dos produtos.
2
2
XCO = = = 6,5%
2 + 3,44 + 22,56 + 3
31
2
3
XO = = 9,7%
31
2
56
XN = 22, = 72,7%
31
2
44
XH O = 3, = 11,1%
31
2
Note que no houve variao do peso molecular dos reagentes e dos produtos e nem poderia
ser diferente, pois a populao de tomos contidos nos reagente a mesma dos produtos.
Utilizando a equao (2.10) as fraes de massa dos reagentes podem ser calculadas:
36
28
32
YC H = 6,2 = 6,1% YO = 18,8 = 21,3%
28,3
28,3
28
18
YN = 70,5 = 69,7% YH O = 4,5 = 2,9%
28,3
28,3
2
(equao 2.13)
H = 1 Ni . hi
(equao 2.14)
37
necessria para formar uma determinada espcie qumica a 298 K (por exemplo, CO2) e entalpia
sensvel a quantidade de calor necessria para elevar a temperatura da espcie de 298 K at
certa temperatura. Ento:
hi = hformao + hsensvel
(equao 2.15)
(equao 2.16)
hsensvelOs
= Cp .a(Tdiferentes
gas - 298) temperaturas podem ser encontrados nos textos indicados acima e a variao
com temperatura pode ser vista na figura 2.1.
Figura 2.1 Calor especfico molar a presso constante em funo da temperatura de algumas espcies qumicas
Para clculo do calor de reao, a maneira mais simples considerar que a temperatura do reagente
e do produto a mesma e igual a 298 K. Isso faz com que o termo de calor sensvel seja nulo.
Para exemplificar a metodologia de clculo do calor de reao, calculemos esse valor para
o metano reagindo com o ar conforme a reao (2.5) considerando que o reagente e o produto
esto a 298 K. Para resolver a equao (2.13), preciso calcular a entalpia dos produtos e dos
reagentes. Pela equao (2.14)
(equao 2.17)
As entalpias molares sero calculadas pela equao (2.16) e equao (2.17), lembrando que todas
38
as espcies esto a mesma temperatura, 298 K. Obtendo a entalpia de formao do (Turns, 2000),
em J/mol.
J
hN = hformao,N + CpN . (TN - 298) = 0
mol
2
J
+ CpCH . (298 - 298) = -74831
mol
J
hO = hformao,O + CpO . (TO - 298) = 0
mol
J
hN = hformao,N + CpN . (TN - 298) = 0
mol
4
(equao 2.18)
Onde PCH4 a presso parcial do metano no recipiente, Ru a constante universal dos gases
39
(equao 2.19)
(equao 2.20)
(equao 2.21)
40
(equao 2.22)
Onde mH2O a massa de gua condensada e hlv a diferena entre a entalpia de vapor e a entalpia
do lquido, entalpia de vaporizao, que depende da temperatura de vaporizao. A equao
(2.22) pode ser simplificada na equao (2.23).
mH O
PCI = PCS - .hlv
mcomb
(equao 2.23)
Calculando o pci para o metano utilizando o pcs calculado acima de 55651 kJ/kg de CH4 , a reao
(2.5), e sabendo que a entalpia de condensao para gua a 1 atm entre o estado de vapor saturado
a 100C e o lquido saturado a 298 K 2257 kJ/kg, obtm-se:
2 . 18
PCI = 55651 - . 2442 = 50156 kJ kg de CH4
1 . 16
A Tabela 2.1 apresenta propriedades de hidrocarbonetos combustveis, listando, entre outras, a
entalpia de formao, pcs e pci.
O programa ComGas v1.0 permite calcular pci mido e seco de vrios combustveis.
Frmula
Comb.
Peso Mol.
PCS
PCI
Temp
vapor.
kg
kmol
kj
kmol
kj
kmol
kj
kmolk
kJ/kg
kJ/kg
16,043
-74831
-50794
186,188
55528
50016
-164,0
Massa
espe.(liq)
kJ/kg
CH4
Metano
C2H2
Acetileno
26,038
226748
209200
200,819
49923
48225
-84,0
2539
C2H4
Eteno
28,054
52283
68124
219,827
50313
47161
-103,7
2369
509
2226
kg/m3
300
C2H6
Etano
30,069
-8,667
-32886
229,492
51901
47489
-88,6
488
2259
370
C3H6
Propeno
42,080
20414
62718
266,939
48936
45784
-47,4
437
2334
514
C2H8
Propano
44,096
-103847
-23489
269,910
50368
46357
-42,1
425
2267
500
C4H8
1-Buteno
56,107
1172
72036
307,440
48471
45319
-63,0
391
2322
595
C4H10
n-Butano
58,123
-124733
-15707
310,034
49546
45742
-0,5
386
2270
579
C5H10
1-Penteno
70,134
-20920
78605
347,607
48152
45000
30,0
358
2314
641
C5H12
n-Pentano
72,150
-146440
-8201
348,402
49032
45355
36,1
358
2272
626
C6H6
Benzeno
78,113
82927
129658
269,199
42277
40579
80,1
393
2342
879
C6H12
1-Hexeno
84,161
-41673
87027
385,974
49955
44803
63,4
335
2308
673
C6H14
n-Hexeano
86,177
-167193
209
386,811
48696
45105
69,0
335
2273
659
316
2274
C7H14
1-Hepteno
98,188
-62132
95563
424,383
47817
44665
93,6
C7H16
n-Heptano
102,203
-187820
8745
425,262
48456
44926
98,4
C8H16
1-Octeno
112,214
-82927
104140
462,792
47712
44560
121,3
C8H18
n-Octano
114,230
-208447
17322
463,671
48275
44791
125,7
300
C9H18
1-Noneno
126,241
-103512
112717
501,243
47631
44478
C9H20
n-Nonano
128,257
-229032
25857
502,080
48134
44686
150,8
295
C10H20
1-Deceno
140,268
-124139
121294
539,652
47565
44413
170,6
C10H22
n-Decano
142,284
-249659
34434
540,531
48020
44602
174,1
277
C11H22
1-Unidecene
154,295
-144766
129830
578,061
47512
44360
C11H24
n-Unidecano
156,311
-270286
43012
578,940
47926
44532
195,9
265
2305
684
2302
2275
703
2300
2276
718
2298
2277
730
2296
2277
740
Tabela 2.1 Propriedades de hidrocarbonetos: entalpia de formao, funo de Gibbs de formao, entropia, PCS e PCI e
massa especfica obtidas a temperatura de 298,15 K e 1 atm. Temperatura e energia de vaporizao a 1 atm.
41
(equao 2.24)
produtos
reagente
Ni
Ni . [hformao,i
a
Para a reao (2.5), considerando
que
entram
a 298
K, e os+ Cp,i .foram
+ os
Cp,ireagentes
. (Tprod - 298)]
=reagente
. [hformao,i
(Treag - avaliados
298)]
produtos
temperatura de 1000 K e retirados do (Turns, 2000), a equao (2.23) se torna
1 . [ - 393456 + 57 (T - 298)] + 2 . [-285855 + 41(T - 298)] + 7,52 [0 + 33 (T - 298)] =
1 . [-74831 + 0] + 2 [0 + 0] + 7,52 [0 + 0]
Resolvendo essa expresso
Tprod = 2984K
Consultando a Tabela 2.1, verifica-se que a temperatura adiabtica do metano 2226 K. O
motivo do erro que foi escolhida uma temperatura mdia para os Cp muito baixos, 1000 K.
Um valor mdio mais apropriado seria de 1200 K. Adote os Cp a essa temperatura e verifique o
novo resultado.
42
43
Poluentes com S
Enxofre uma impureza encontrada na maioria dos combustveis lquidos e slidos usuais,
principalmente em fraes pesadas da destilao do petrleo e em carves minerais. No caso
da biomassa vegetal, os teores de enxofre so muito pequenos, podendo at ser descartados
como medida de simplificao de clculos.
Durante o processo de combusto destes combustveis, o enxofre reage com o oxignio sendo
convertido em sua maioria a SO2 (~97%) e em menor proporo em SO3 que, a partir de reao
com H2O a temperaturas abaixo de 400C, pode vir a formar cido sulfrico, H2SO4 . O SO3 e o
H2SO4 podem levar a taxas de corroso elevadas das superfcies metlicas localizadas no interior
de equipamentos de combusto, como superaquecedores de vapor e recuperadores de calor,
e de equipamentos de coleta de particulados, como filtros eletrostticos e de manga. Certas
fibras sintticas empregadas na fabricao de alguns filtros, normalmente as de menor custo,
no resistem presena de cido sulfrico junto com o particulado, sofrendo severo ataque.
Esses compostos de enxofre, efluentes da regio onde ocorre a combusto, quando no
removidos em sistemas de limpeza de gases, so lanados para a atmosfera. estimado que a
emisso total desses compostos por equipamentos de combusto da ordem de 93.106 ton/ano,
sendo que 70% so emitidos por usinas termoeltricas que operam com combustveis fsseis.
Conseqentemente, trabalhar com biomassa ajuda a reduzir esses nmeros.
Na atmosfera, o SO2, em baixas concentraes (at algumas centenas de ppm), praticamente
incuo a vegetais e animais. No entanto, os compostos resultantes da sua oxidao com oxignio
e da sua reao com gua, principalmente o cido sulfrico, so extremamente nocivos, podendo
provocar a lixiviao ou o empobrecimento do solo e corroso em equipamentos e edificaes.
Poluentes com N
Os xidos de nitrognio, NOx, formados durante os processos de combusto, so constitudos
de aproximadamente 95% de xido ntrico (NO) e o restante de dixido de nitrognio (NO2).
A formao de xido ntrico durante os processos de combusto pode ocorrer atravs de
quatro mecanismos diferentes: trmico, combustvel, ativo e via N2O, que no sero tratados
nesse texto. O leitor deve consultar Turns para maiores detalhes neste assunto.
O NOx em si no um poluente, mas, ao ser lanado na atmosfera, reage com o oxignio
do ar produzindo o gs oznio (O3) e cido ntrico (HNO3). O Oznio, apesar de benfico nas
grandes altitudes por reduzir a intensidade de energia infra-vermelha solar, na superfcie da terra
indesejvel pois forma nvoa marrom (visvel na atmosfera das grandes cidades em dias quentes)
que causa prejuzos sade humana, com a irritao dos olhos, infeces das vias respiratrias e
at a destruio dos clios das vias respiratrias. O cido ntrico promove a formao de chuva
cida quando liberado na atmosfera, causando corroso e destruio de material.
44
Figura 2.3 Fluxo de calor e reaes qumicas que ocorrem no processo de gasificao. Fonte: (Knoef, 2005)
Conforme descrito no item 2.3, o processo de combusto de biomassa tem como produto de
valor comercial o calor e como resduos gases, carvo e cinzas. Calor uma energia muito difcil
de ser armazenada, exigindo ento que seja consumida imediatamente. Uma maneira de transformar a biomassa num energtico mais fcil de ser utilizado, transportado ou at mesmo ser
convertido em lquido, a gasificao.
A gasificao objetiva converter o mximo da biomassa em gases. Isso implica em transformar
no s a gua e os volteis da biomassa respectivamente em vapor e gases, como tambm
converter o carbono fixo em gases. As etapas de um processo de gasificao so a secagem,
pirlise, combusto e reduo.
Secagem e Pirlise foram descritas na combusto e ocorrem de maneira similar ao descrito
no item 2.3. A secagem e pirlise da biomassa ocorre em 3 fases:
Evaporao da gua;
Decomposio dos carboidratos (hemi-celulose, celulose, lignina) (250300C);
Produo de alcatro e cidos leves (350450C).
Os produtos dessas etapas so:
Gases condensveis: alcatro e cidos;
Gases no condensveis (CO, CO2 , H2 , CH4 , O2);
Carvo vegetal.
Reduo e Combusto
O carvo vegetal residual pode ser convertido em gases pelo processo denominado de gasificao. Gasificao um processo de reduo o qual requer energia para que a tomo de oxignio
seja transferido de uma molcula para o carbono do carvo. Conseqentemente, o processo de
gasificao um processo endotrmico. Essa energia trmica pode ser fornecida aos reagentes
(carvo e gs redutor) a partir de uma fonte externa ou atravs da combusto de parte da biomassa (volteis e carvo). As reaes qumicas que ocorrem so basicamente as combinaes
de oxignio do ar com o carbono e o hidrognio e so classificadas em reaes heterogneas
45
C + CO2 2CO
Reao de gs-gua
C + H2O CO + H2
Formao de metano
C + 2H2 CH4
CO + H2O CO2 + H2
Craqueamento do alcatro.
alcatro + vapor + calor CO + CO2 + CH4 + etc
Alm destas reaes, temos que destacar a oxidao de parte dos produtos da pirlise.
13 (CO + H2 + CH4) + O2 23 CO2 + H2O
Note que as cinco primeiras reaes so as que transformam o carbono slido em carbono gasoso.
Como o objetivo da gasificao produzir o mximo de CO e H2, os redutores preferenciais so
CO2 e H2O e no oxignio, pois os primeiros produzem CO enquanto o segundo produz CO2.
As reaes de oxidao do carbono so fortemente exotrmicas, rpidas e podem ser
consideradas irreversveis nas temperaturas normais de gasificao. As reaes de Boudouard e
gs-gua so endotrmicas. A reao de Boudouard passa a ser importante na faixa de temperatura
de 800 a 900C, ocorrendo em todo o leito, ao contrrio das reaes de formao de dixido e
monxido de carbono que s ocorrem obviamente com a presena de oxignio.
46
Figura 2.4 Efeito da razo de equivalncia no processo de gasificao. Fonte (Oliveira, 2006)
47
Figura 2.5 Efeito da temperatura na concentrao dos gases. Fonte (Higman e Burgt, 2003)
48
Figura 2.6 Efeito da presso na concentrao dos gases. Fonte (Higman e Burgt, 2003)
49
50
Balano de massa
mreagentes = mprodutos
(equao 2.25)
Onde, para a gasificao de biomassa com ar, a equao (2.25) pode ser expandida para a seguinte
forma.
mbs + mub + mar = mgas + mc + mcin + mH O
2
(equao 2.26)
Do lado da mo esquerda tm-se respectivamente as massas dos reagentes: biomassa seca, umidade da biomassa e ar. Do lado da mo direita tm-se respectivamente as massas dos produtos:
gs produzido, carbono no convertido, cinzas e gua.
Balano de energia
O balano de energia pela 1 Lei da Termodinmica pode ser escrito como:
u2j
u2i
hi + +gzi - hj + +gzj = 0
reagentes
produtos
2
2
vc +
Qvc - W
(equao 2.27)
(equao 2.28)
(equao 2.29)
A equao (2.29) estabelece onde mgas e pcigas representam respectivamente o fluxo de massa
e o poder calorfico inferior do gs produzido. J os termos mbs e pcibs representam o fluxo de
massa e o poder calorfico inferior da biomassa seca.
51
3 Caracterizao Energtica da
Biomassa Vegetal
C6 H10 O5
C5H8O4
C9H10 (OCH3) 0,91,7
De maneira geral, desprezando as espcies menores, madeiras moles contm entre 4550% de
celulose, 2535% de hemicelulose e 2535% de lignina. J madeiras duras possuem 4055% de
celulose, 2540% de hemicelulose e 1825% de lignina.
Como descrito nos itens 3.2 e 2.2, para que acontea combusto/gasificao, a biomassa
slida tem que ser convertida em gs, e esse processo possui quatro etapas: secagem, pirlise
(volatilizao), gasificao e combusto. A figura 3.1 ilustra bem esses quatro processos. So
52
resultados obtidos atravs de uma balana gravimtrica. Essa balana mede o peso da amostra
de biomassa enquanto sua temperatura elevada gradativamente. O operador do equipamento
define a velocidade da transferncia de calor para a amostra ao longo de todo o experimento
e para cada intervalo de tempo definido registradas a temperatura da amostra, a massa da
amostra no incio e fim do perodo, e a perda de massa da amostra no perodo. A relao entre
a perda de massa pelo perodo de tempo a velocidade da perda de massa.
Figura 3.1 Experimento realizado com balana gravimtrica TGA com quatro amostras de 5 mg de diferentes espcies de
madeira e taxa de aquecimento de 10C/min.
Analisando o grfico superior da figura 3.1 verifica-se uma pequena perda de massa at 373K;
essa a perda de gua por evaporao (a madeira torna-se preta). Entre 373473K, a madeira no
perde massa. A energia trmica recebida utilizada na energizao das molculas da madeira a
tal ponto que ela quebrada e as fraes so volatilizadas. A amostra perde massa rapidamente,
como pode ser visto entre 473600K. Aps 673 K, a amostra perde massa lentamente at ser
somente carvo. Acima de 773 K, e na presena de um meio redutor o carbono, a carbono slido
convertido em gs CO num processo de gasificao.
O grfico inferior da figura 3.1 mostra a velocidade de perda de peso. Entre 273 e 373K aparece
o primeiro pico, decorrente da secagem. Entre 473673K aparece o segundo pico, com trs
inclinaes de subida e uma de descida. A primeira inclinao a decomposio da hemicelulose
e a terceira inclinao a decomposio da celulose. A segunda um patamar de transio. Note
que a maior parte da madeira se tornou gs, deixando como resduo na fase slida uma mistura
de carbono fixo e lignina. Elevando ainda mais a temperatura da amostra, a lignina vaporiza,
mas numa velocidade mais lenta (aps 673K). Lignina liberada ao longo de todo o processo de
pirlise, mas numa velocidade bem menor que a hemicelulose e celulose. Ao trmino da liberao
dessas duas espcies, a liberao de lignina continua e pode ser identificada na figura 3.1.
53
Os teores de carbono fixo (carvo), volteis e alcatro para uma determinada biomassa vegetal
ao final do processo de pirlise, dependem da temperatura e presso desse processo, pois o
alcatro pode reagir formando volteis ou condensando e at mesmo formando carvo. Altas
temperaturas favorecem a transformao do alcatro em no condensveis, enquanto baixas
temperaturas favorecem a formao de carvo. Num processo de combusto, os no condensveis
e o alcatro reagem com o oxignio do ar, formando uma chama, e quando o oxignio encontrar
a superfcie do carvo acontece a combusto incandescente.
Num processo de combusto comum (a presso atmosfrica), os teores de volteis, carbono
fixo e carves produzidos por uma determinada biomassa so bastante prximos do resultado
obtido pela anlise imediata.
equao 3.1
Onde mH2O a massa de gua contida na amostra e mbio seca a massa de biomassa seca.
Teor de umidade () na base seca (bs) calculado por
mH O
bs = (%bs)
mbio seca
2
54
equao 3.2
O teor de umidade das biomassas depende do seu histrico. Toras de madeira deixadas ao tempo
possuem seu teor de umidade entre 4055% bu, enquanto madeira seca por processos trmicos
alcana valores de 812% bu. Biomassa originria de produo agrcola possui teor de umidade
entre 1530% bu.
Ao reduzir o teor de umidade para valores inferiores a 8%, inicia o processo de decomposio
da estrutura molecular da madeira. Essa gua faz parte da composio da estrutura macro da
madeira e est ligada s paredes de celulose. A perda dessa gua causa tenso na estrutura
molecular e se manifesta macroscopicamente pela mudana da sua colorao para preto.
kg
m3
equao 3.3
kg
m3
equao 3.4
Onde mbio granel a massa do montante de biomassa colocada aleatoriamente at encher o volume
V. Formalmente, a massa especfica a granel determinada atravs da utilizao da norma nbr
6922 (Ensaios Fsicos para Determinao da Massa Especfica), em que se quantifica a massa
3
(medindo o peso) correspondente a um volume de 0,216 m de biomassa, ou seja:
mbio granel
ap =
0,216
kg
m3
A massa especfica aparente ser sempre menor que a massa especfica, pois os fragmentos
amontoados deixam espaos vazios entre si, reduzindo a massa contida no volume. De maneira
geral, a massa especifica aparente de resduos de madeira em torno de da massa especfica
da madeira, aumentando esse valor com a diminuio da granulomtrica do resduo como no
caso da casca de arroz.
55
3.2.3 Densidade
De maneira similar s massas especficas, tambm existem a densidade propriamente dita para
a matria contnua e a densidade aparente para a matria fragmentada. As densidades so
adimensionais.
especfica da gua ( H O ) na condio padro (25C e 100 kPa), ou seja 1000 kg/m .
2
d =
H O
2
Densidade aparente (dap ) definida de maneira similar, mas utilizando o conceito de massa
especfica aparente, ou seja:
ap
dap =
H O
equao 3.5
equao 3.6
56
dos volteis, fica como resduo o carbono fixo e as cinzas. O teor de volteis ento determinado
pela expresso a seguir. Necessariamente, o teor de volteis expresso em base seca.
m2 - m3
Tv = 100 (%bs)
m2
equao 3.7
equao 3.8
equao 3.9
O resultado da anlise imediata de algumas espcies amaznicas est apresentado no item 4.9.
57
Composto
39,0
SiO2
Fe2O3
3,0
TiO2
0,2
Al2O3
14,0
K2O
6,0
CaO
25,0
Na2O
6,0
SO3
0,3
MgO
6,5
A composio qumica das cinzas permite avaliar o seu comportamento quanto aos seguintes
aspectos:
Ataque de refratrios: o ataque qumico das cinzas aos refratrios pode ser evitado ao
escolher refratrios com comportamento qumico semelhante ao das cinzas. Os xidos
de elementos metlicos so bsicos; os xidos de semi-metais so geralmente cidos, tais
como xidos de silcio, zircnio e titnio; excepcionalmente, alguns xidos so neutros,
como o xido de alumnio.
Os materiais refratrios que entram em contato com as cinzas devem ter baixa porosidade, pois as
cinzas alojadas nos poros, ao se dilatarem, provocam rachaduras nas superfcies dos mesmos.
Amolecimento e fuso das cinzas: o ensaio de fusibilidade determina a temperatura
inicial e final de amolecimento da cinza. Observa-se uma influncia acentuada do xido de
ferro na fusibilidade da cinza em atmosfera gasosa redutora, com sensvel abaixamento da
temperatura de amolecimento em relao atmosfera oxidante.
possvel estimar a temperatura inicial e final de amolecimento da cinza atravs da sua composio
qumica, atravs de expresses empricas desenvolvidas por vrios autores, algumas das quais
podem ser vistas em (Santos, 2004) e (Phillips, 2003). Os processos de combusto com temperaturas
superiores ao ponto de amolecimento da cinza podem propiciar a aglomerao de material
particulado denominado sinter, ou a fuso da cinza slagging, que geralmente inviabilizam a
continuidade do processo ou reduzem a eficincia da troca de calor no equipamento.
Sublimao de compostos: os xidos alcalinos Na2O e K 2O, diferem dos demais
xidos, pois uma boa parte dos mesmos se volatiliza durante a combusto, e condensa-se
em temperaturas em torno de 760C; ao condensar-se nas superfcies mais frias do
equipamento aglutinam as cinzas volantes, propiciando corroso e reduo da taxa de
transferncia de calor nestas superfcies.
58
Devido composio complexa da biomassa vegetal, so poucas as espcies que possuem sua
composio qumica precisa publicada na literatura (celulose uma exceo). Para as outras
espcies utilizada a anlise elementar. Esse ensaio fornece os percentuais mssicos dos elementos
C, H, O, N, S e cinzas contidos na amostra da biomassa combustvel. Um resultado
tpico da anlise elementar pode ser visto na Tabela 3.2.
C
38,24
4,40
0,80
0,06
35,50
Pinheiro
59
7,2
32,7
1,1
Caroo de aa
46
0,8
46
1,2
Espcie
Casca de arroz
Cinzas
21
Tabela 3.2 Resultado da anlise elementar de algumas espcies vegetais em percentual mssico. Fonte EBMA.
Note que nesse caso, no conhecido o peso molecular real do combustvel, o que dificulta o
procedimento de elaborao da reao estequiomtrica, procedimento inicial para quantificao
da razo ar-combustvel, temperatura adiabtica de chama e outros parmetros apresentados
no captulo 3. Para contornar esse problema, assume-se que 100 kg de combustvel, sem cinza,
formar 1 kmol. Isso implica que todos os resultados obtidos a partir dessa considerao s tero
sentido na base mssica, pois no conhecido o peso molecular real do combustvel.
Como exemplo, deseja-se determinar a quantidade de ar estequiomtrico para consumir
caroo de aa. Baseada nos resultados da Tabela 3.2, a Tabela 3.3 pode ser montada.
Anlise Elementar [% mssica]
tomo
Com cinza
Sem cinza
Peso
molecular
[kg/kmol]
46
46,00
12
3,83
6,00
6,00
0,8
0,80
14
0,06
46
46,00
16
2,88
Cinzas
Nmero de
tomos no
combustvel
1,2
100
98,8
Tabela 3.3 Converso dos resultados da anlise elementar em frmula qumica emprica.
O resultado da anlise elementar foi colocado na coluna com cinza. Removendo o teor de
cinza, foi feita a coluna com cinza. Sabendo o peso molecular de cada elemento e dividindo a
massa do elemento pelo seu peso molecular, obtm-se o nmero de tomos na composio do
combustvel.
59
equao 3.10
Onde mH2O a massa de gua, C o calor especfico da gua e Tfinal e Tinicial so as temperaturas
iniciais e finais da gua.
Assumindo que a quantidade de calor absorvido pela gua igual ao calor de reao, e
dividindo esse valor pela massa da amostra, obtm-se o pcs do combustvel. Valores de pcs de
vrias espcies amaznicas podem ser consultados na tabela do item 3.7.
equao 3.11
equao 3.12
60
19160 kJ/kg, um erro de 3,8%. Essas correlaes entre fraes elementares do combustvel e valor
pcs so obtidas por regresso de vrios ensaios de pcs e anlise elementar. Apesar de a equao
(3.11) ter sido obtida de vrias espcies florestais da Europa, ela se comporta razoavelmente bem
com sementes amaznicas.
equao 3.13
No caso da biomassa combustvel, uma quantidade de gua trazida com o combustvel, ou seja,
a umidade do combustvel. A umidade do combustvel participa da reao como um inerte e
incorporada aos produtos. Essa gua, quando produto, tambm no pode condensar antes de
deixar a cmara de combusto ,e parte do calor de reao que ela absorveu perdido, reduzindo
o pci do combustvel. Quanto maior a umidade do combustvel, menor o pci do combustvel,
como pode ser visto na equao abaixo.
PCIs . mcomb,s = PCS . mcomb,s - (m)H O,reao + mH O,umidade) . hlv
2
equao 3.14
Onde pcis o pci da biomassa seca, mH2O, reao a massa de gua formada pela reao entre o
hidrognio do combustvel e o oxignio do ar, mH2O, umidade a massa de gua trazida pela biomassa
combustvel e mcomb,s a massa de combustvel seca.
Para uso rotineiro, desejvel ter uma expresso para clculo do pci da biomassa mida em
funo da umidade em base mida e do pcs. Como
mcomb,s
PCIu = PCIs . = PCIs . (1 - bu)
mcomb,u
equao 3.15
bu
mH O,umidade
= bs =
mcomb,s
1 - bu
2
mH
mH O,reao
= 9 .
mcomb,s
mcomb,s
2
mH
bu
PCIu = (1 - bu) . PCS - 9 . + . hlv
mcomb,s 1 - bu
PCIu (1 - bu) . PCS - [ 9 . mH/m(comb,s) . (1 - bu) . hlv] - bu . hlv
mH
h =
mcomb,s
Definindo
61
equao 3.16
Onde pciu o poder calorfico inferior da biomassa mida (kJ/kg de biomassa mida); pcs =
poder calorfico superior (kJ/kg de biomassa seca); bu = teor de umidade da biomassa (massa
base mida); h = teor de hidrognio na biomassa (massa base seca); hlv = entalpia de vaporizao
da gua (kJ/kg), igual a 2442 kJ/kg. Supondo que a combusto seja a presso de 1 atm e que a
gua na biomassa entre na cmara de combusto a 25C.
Para o pci ser calculado atravs da equao (3.16), preciso conhecer os teores de umidade
(base mida) e frao mssica de hidrognio da biomassa que ser utilizada como combustvel.
Quanto maior o teor de umidade, menor ser o pci, implicando que menor energia poder ser
extrada da biomassa (ver figura 3.3). Essa figura mostra que com umidade de 0% bu, toda a
energia liberada pela combusto absorvida pela gua e a chama no se propaga. Efetivamente,
se o teor de umidade da biomassa for acima de 0,7 no ocorrer combusto.
O teor de hidrognio h, para ser utilizado na equao (3.11), obtido da anlise elementar e
com a ajuda da equao (3.12), pois a anlise elementar fornece resultados em termos percentuais
conforme pode ser observado na Tabela 3.4.
mH
mC
h =
mH
mO mN mS mCinzas
1 + + + + +
mC
mC
mC
mC
mC
equao 3.17
Onde mC, mH, mO, mN , mS e mcinzas so, respectivamente, os percentuais mssicos dos elementos carbono, hidrognio, oxignio, nitrognio, enxofre e cinzas contidos na biomassa combustvel seca.
Para madeiras secas europias, o valor mdio das relaes entre as populaes de hidrognio/
carbono e oxignio/carbono contido na biomassa de madeiras secas obtido do item 3.1 e
resumido, dado pelas equao (3.18).
NH
NO
= 1,5 e
= 0,6
NC
NC
equao 3.18
Isso implica que as relaes de massa das espcies para ser aplicado na equao (3.17) so:
mH
mO
= 0,125 e
= 0,8
mC
mC
62
equao 3.19
Nome Comercial
Acap
PCS
[MJ/kg]
Carbono
Fixo [%]
Teor de
Volteis [%]
Teor de
Cinzas [%]
Massa
Especifica
aparente
[kg/m]
Densidade
Energtica
[MJ/m]
20,70
20,9
78,7
0,4
250
5175
19,76
10,1
89,9
0,0
290
5732
4904
Andiroba
Angelim
17,51
15,1
70,0
14,9
280
Angelim Pedra
19,84
17,2
81,6
1,3
265
5258
Angelim vermelho
20,44
20,3
79,6
0,0
250
5109
Bambu
18,98
17,8
81,3
0,9
267
5068
14,2
85,6
0,2
259
5158
5168
Breo
19,91
17,34
15,2
72,9
9,9
298
19,35
16,6
80,6
2,9
200
3871
10
Caroo de aa
19,16
19,5
79,4
1,1
240
4598
11
Casca de amndoa
22,22
20,7
77,7
1,6
220
4889
12
Casca de palmito
16,18
18,0
76,1
5,9
240
3883
13
20,28
27,1
71,0
1,9
240
4867
14
Cascas de nozes
21,10
22,5
75,9
1,7
260
5485
20,21
15,3
84,6
0,1
249
5032
4977
15
Cedro
16
Copaba
19,91
9,1
90,9
0,1
250
17
Cumaru
20,14
13,3
86,7
0,1
270
5438
18
Falso Pau-Brasil
22,01
21,4
78,4
0,2
220
4842
19
Fibra de coco
18,67
24,7
70,6
4,7
282
5264
19,6
76,2
4,2
200
3310
20
Fibra de dend
16,55
21
Garapa
18,69
18,3
78,5
3,2
200
3737
22
Jatob
19,41
20,0
79,6
0,4
200
3883
23
Louro-Faia
19,72
17,8
82,0
0,2
230
4536
20,11
17,4
82,4
0,2
373
7503
3940
24
Maaranduba
25
Mandioqueira
19,70
16,0
83,2
0,7
200
26
Marup
19,84
14,8
84,9
0,3
230
4563
27
Melancieiro
19,97
5,4
93,9
0,8
220
4394
28
Mogno
19,85
19,7
78,4
1,8
250
4962
16,65
17,6
76,2
6,1
230
3830
29
Palmito
30
Pau-marfim
19,31
15,3
84,1
0,7
237
4576
31
Pau-preto
22,22
20,0
79,4
0,6
210
4667
32
Pequi
19,88
15,6
82,6
1,8
280
5568
20,49
18,2
80,9
0,9
280
5737
4729
33
Pracuuba
34
Quaruba
18,92
17,1
82,0
1,0
250
35
Quenga de cco
20,55
19,3
79,7
1,0
300
6165
36
Resduo de favadanta
19,99
19,1
76,9
4,1
313
6257
37
Resduo de uncria
20,79
21,5
70,1
8,4
222
4615
38
Roxinho
19,85
19,6
80,1
0,3
230
4564
39
Sucupira
20,20
16,7
82,8
1,7
250
5049
40
Talo de uncria
19,53
22,3
74,8
2,9
230
4491
41
Tanimbuca
19,59
19,8
78,0
2,3
200
3918
81,8
0,6
240
4592
82,6
0,7
200
3974
42
Tatajuba
19,14
17,6
43
Tauari
19,87
16,8
Tabela 3.4 Caracterizao energtica de espcies amaznicas obtidas pelo EBMA, UFPA, 2004.
63
4 Pr-tratamento da biomassa
Gonalo Rendeiro
A biomassa a ser utilizada como combustvel, tanto na combusto direta como na gasificao,
normalmente no pode ser utilizada na forma em que se encontra disponvel, necessitando de
algum tratamento termo-mecnico para seu uso eficaz. Dentre os tratamentos termo-mecnicos
disponveis os mais usuais so a secagem, torrefao, briquetes, pletes e triturao.
4.1 Secagem
O processo de secagem remove a gua contida na biomassa promovendo a sua evaporao
por transferncia de calor, diminuindo o teor de umidade contido na biomassa. Ar utilizado
para transferir o calor da fonte quente para a biomassa mida. O calor transferido do ar para
a biomassa por diferena de temperatura. O calor transferido para a biomassa utilizado para
vaporizar a gua e a diferena de presso parcial de vapor dgua existente entre o ar e a superfcie
da biomassa determina uma transferncia de gua para o ar. Define-se velocidade de secagem
(vsecagem) como a reduo de pontos percentuais do teor de umidade ()na unidade de tempo.
vsecagem
inicial - final
64
da biomassa, por sua vez, tambm constante. Este perodo continua enquanto a migrao
de gua do interior at a superfcie da biomassa seja suficiente para acompanhar a perda por
evaporao na superfcie.
Perodo 2: consiste no perodo de velocidade de secagem decrescente. Inicia quando o fluxo para
a superfcie inferior taxa de evaporao da gua da superfcie. A velocidade de secagem diminui.
4.2 Torrefao
A torrefao pode ser definida como um processo de pr-carbonizao, o qual se desenvolve
justamente na fase endotrmica da pirlise, entre 250 e 300C. Nestas condies, a hemicelulose
degradada, sendo removida a umidade, o cido actico, fraes de fenol e outros compostos
de baixo poder calorfico. Deste processo, resulta um material intermedirio entre a biomassa
e o carvo. O objetivo fundamental da torrefao concentrar a energia da biomassa em um
produto formado em curto tempo, baixas taxas de aquecimento e temperaturas moderadas,
permitindo reter os volteis de maior poder calorfico no prprio produto.
As propriedades fsicas e qumicas da biomassa torrada variam com o incremento da temperatura.
Por exemplo, ao aumentar a temperatura do processo, a biomassa se torna mais frivel e menos
higroscpica. Para cada combinao de temperatura e tempo de processamento, podem-se
obter produtos de diferentes propriedades que podem ser reproduzidos com alta preciso. A
densidade energtica (energia por unidade de volume) e os teores de carbono fixo aumentam
com o aumento da temperatura e do tempo do processo de torrefao. O rendimento energtico
do processo decresce com o aumento da temperatura e o poder calorfico inferior aumenta. A
madeira torrada possui qualidades difceis de encontrar em madeiras comuns: impermeabilidade,
resistncia mecnica e resistncia s pragas.
Resultados da torrefao de vrias espcies de madeira demonstram que o poder calorfico
inferior da madeira torrada depende do teor final de volteis e cinzas, variando entre 22 e 23 MJ/
kg. Foi demonstrado ainda que, para a madeira processada a 280C, o poder calorfico teve um
comportamento assinttico com relao ao tempo, portanto, prolongar o tempo de residncia
indiscriminadamente com objetivo de melhorar as caractersticas do produto final no oferece
resultados favorveis. Para obter resultados aceitveis a 280C, basta processar a madeira em
torno de duas horas.
A torrefao tambm pode ser aplicada a briquetes de resduos de madeira ou agroindustriais
como casca de arroz, caf, bagao e outros. Experimentos de torrefao realizados com briquetes
de resduos de madeira demonstram a factibilidade deste procedimento para melhorar as
caractersticas dos briquetes de biomassa. Entre outras caractersticas dos briquetes torrados
pode-se mencionar a baixa umidade (de 2% a 6%) e pouca diminuio da resistncia mecnica,
fatores importantes na conservao dos briquetes durante a armazenagem.
Se comparada a torrefao carbonizao em termos de rendimento energtico, a torrefao
possui vantagens, pois a biomassa torrada possui em torno de 80% da energia inicial, enquanto
que o carvo possui apenas 50%.
Pr-tratamento da biomassa
65
4.2.3 Perspectivas
Analisando as caractersticas do processo de torrefao, as propriedades e aplicaes da biomassa
torrada, pode concluir-se que a torrefao apresenta boas perspectivas como processo alternativo
para a produo de combustvel para plantas trmicas. Em termos gerais a torrefao um processo
que no requer tecnologias muito complexas, pois desenvolvido a temperaturas relativamente
baixas e presso atmosfrica. Portanto ,os custos dos equipamentos geralmente no so muito
elevados, e as tcnicas utilizadas so bem conhecidas. Este fato contribui para tornar a torrefao
atrativa em termos econmicos quando comparadas a outras tecnologias de converso que so
mais complexas, custosas e pouco exploradas. A biomassa torrada tem capacidade e flexibilidade
suficiente de adaptar-se aos requerimentos tcnicos do setor energtico.
4.3 Briquetes
Quando pequenas partculas de material slido so prensadas para formar blocos de forma
definidas e de maior tamanho, o processo denominado de briquetagem. Atravs deste processo,
os finos de materiais diversos, subprodutos do beneficiamento industrial, so convertidos em
produtos de maior valor comercial.
A briquetagem uma forma eficiente de concentrar energia disponvel na biomassa, levando-se
em considerao a densidade a granel e o poder calorfico obtido aps o processo de briquetagem.
Da compactao de resduos de base ligno-celulsicos obtm-se briquetes com qualidade superior
a qualquer espcie de lenha, com 2 a 5 vezes mais densidade energtica.
66
Tambm conhecida como densificao, esta realizada a elevadas presses e temperatura, onde
provoca a plastificao da lignina que atua como elemento aglomerante das partculas, portanto,
sem necessidade de uso de aglomerantes em seu processo de fabricao.
Como combustvel, pode ser usado diretamente em caldeiras e queimadores industriais e
fornos, com uma variedade de aplicaes tanto industrial como domstico.
Alm dos resduos de madeira, pode ser utilizado o bagao de cana de acar, palha de milho
e casca de arroz, entre outros.
As caractersticas termofsicas tpica dos briquetes so:
Pr-tratamento da biomassa
67
f) Embalagem;
g) Comercializao.
A estrutura de custos de produo dividida da seguinte maneira: matria-prima: 26%; energia
eltrica: 5%; pessoal: 15%; despesas administrativas: 5%; peas de reposio: 5%; comercializao:
24%; e custo com financiamento: 20%.
4.3.3 Perspectivas
Pela anlise da cadeia produtiva desse sistema, pode-se depreender os seguintes problemas
para implementao de uma planta de produo de briquetes:
T
ransporte da matria-prima (resduos) at a fbrica: em funo da baixa massa
especfica aparente, portanto baixa densidade energtica, tornando o transporte da
matria-prima (resduos) oneroso.
Heterogeneidade da matria-prima: apresentam grande heterogeneidade (forma, teor
de umidade, granulometria etc.). Conseqentemente, o processo produtivo pode se
tornar oneroso, uma vez que necessria a padronizao desse material, bem como o
ajuste dos equipamentos envolvidos na produo, a fim de se obter um produto mais
homogneo e de qualidade.
68
4.3.4 Comercializao
Os briquetes tm sido comercializados das seguintes maneiras:
Sacos de rfia de 10 a 40 kg
Caixas com 6 ou 25 unidades
Embalagens para exportao com 500 a 1000 kg
Granel
biomax
Rua Constelao, 46 Vila Tereza So Leopoldo RS
http://www.biomaxind.com.br
irmos lippel
Rua Pitangueira, 733 Bairro Siegel Agrolndia Santa Catarina
http://www.lippel.com.br
Fornecedores Internacionais:
HAMMEL http://www.hammel.de
KAHL http://www.akahl.de
AMIS http://www.amis-gmbh.de
RUF http://www.brikettieren.de
MILLER http://www.millersrl.it
BOGMA http://www.bogma.com
C.F. NIELSEN http://www.cfnielsen.com
EUROBLOCK http://www.euroblock.com
FASALEX http://www.fasalex.com
SALMATEC http://www.salmatec.com
4.4 Pletes
Os pletes so bastante similares aos briquetes, de mesmo formato se diferenciando apenas
nas dimenses. Tambm so produzidos a partir de resduos florestais e agroindustriais, com
processo de fabricao semelhante ao dos briquetes.
Pr-tratamento da biomassa
69
g) Pletes;
h) Embalagem;
i) Comercializao.
Semelhante indstria de briquetes, a indstria de pletes tem uma estrutura de custos de
produo dividida da seguinte maneira: matria-prima: 27%; energia eltrica: 5%; pessoal:
15%; despesas administrativas: 5%; peas de reposio: 5%; comercializao: 25%; e custo com
financiamento: 20%.
4.4.2 Perspectivas
Pela anlise da cadeia produtiva desse sistema, podem-se depreender os seguintes problemas
para implementao de uma planta de produo de pletes.Transporte da matria-prima (resduos) at a fbrica: em funo da baixa massa especfica aparente, e portanto baixa densidade
energtica, tornando o transporte da matria-prima oneroso.
Heterogeneidade da matria-prima: resduos lignocelulsicos so caracterizados
por apresentar grande heterogeneidade (forma, teor de umidade, granulometria
70
etc.). Conseqentemente, o processo produtivo pode se tornar oneroso, uma vez que
necessria a padronizao desse material, bem como o ajuste dos equipamentos
envolvidos na produo, a fim de se obter um produto mais homogneo e de qualidade.
Como similar aos briquetes, sua viabilidade econmica de est relacionada com a disponibilidade
de matria-prima, a qualidade desse material, as distncias de transporte, as tarifas de energia
eltrica e, principalmente, a capacidade instalada da fbrica. Alguns estudos apontam para valores
em torno de 25 a 30% de taxa interna de retorno com um pay-back entre trs e cinco anos, o que
torna bastante atrativa sua implantao.
4.5 Triturao
A triturao um pr-requisito para vrios processos de reaproveitamento de produtos, dentre os
quais se destaca a utilizao da biomassa para fins energticos. Este processo torna-se necessrio
quando se visa reduo de tamanho a dimenses abaixo de 520 mm, proporcionando uma
melhor alimentao na fornalha com aumento significativo da rea do combustvel.
O processo de triturao pode ser feito de diversas maneiras: compresso, impacto por
compresso, desgastes nas arestas (nibbling), impacto, abraso, raspagem (shredding), sendo
que a forma e distribuio do produto variam com o tipo de biomassa e o tipo de equipamento
utilizado. A energia necessria para o processamento de uma triturao proporcional nova
superfcie especfica obtida, portanto, quando se deseja dimenses reduzidas, h aumento
considervel de tempo e da potncia gastos, o que influi nos custos.
Geralmente no processamento de triturao, os equipamentos esto distribudos na seqncia
de diminuio do tamanho de partculas. Alguns equipamentos mais utilizados para triturao
de biomassa so mostrados a seguir:
Pr-tratamento da biomassa
71
Os moinhos de martelos so usados no processamento por via seca, enquanto que os de bola
so comuns no processo de moagem por via mida, porm tambm podem ser usados para
moagem a seco. No processo via seca so usados tambm moinhos do tipo pendulares (figura
4.9), em associao com os moinhos de martelo.
A granulometria do material modo nos sistemas via seca com martelos e pendulares so, via
de regra, mais grossa que a atingida pelos sistemas em via mida, seja de bolas ou de barras
(figura 4.10).
72
Este captulo fornece informaes para a escolha, entre as quatro tecnologias citadas abaixo, da
que melhor se presta para atender as necessidades de gerao para um caso especfico. Sero
abordadas as vantagens e desvantagens das seguintes tecnologias:
73
A mquina a vapor um motor alternativo (figura 5.1) que expande o vapor com o movimento do mbolo
dentro de um cilindro o qual est ligado a um eixo que gira acionando o gerador eltrico. A mquina a
vapor fabricada no Brasil com potncias na faixa de 40250 kW. Os rendimentos dessas mquinas
variam com a potncia entre 20 e 30%, trabalhando com presses de vapor entre 10 e 16 atm.
Turbinas a vapor possuem suas ps mveis fixadas num eixo, que por sua vez est acoplado
ao eixo de um gerador. O vapor injetado contra as ps, fazendo-as girar e, por conseqncia,
fazendo o eixo girar. Essas turbinas so fabricadas no Brasil com potncias variando entre 250 e
150.000 kW e presso variando entre 22 e 120 atm. Um exemplo do princpio de funcionamento
de uma turbina a vapor pode ser visto na figura 5.2.
74
Figura 5.3 Sistema de gerao de eletricidade por gasificao de biomassa Viking. Fonte: DTU e TKEnergi AS, Dinamarca.
Quando operando com um motor do ciclo otto, por centelha, o gs injetado juntamente com
o ar. Ele substitui integralmente a gasolina e qualquer motor produzido comercialmente pode
ser utilizado com pequenas modificaes. A dificuldade maior encontrar grupos-geradores
com motores acima de 30 kW. Isso faz com que essa tecnologia seja possvel de aplicao para
potncias na faixa de 125 kVA.
75
76
O processo de gasificao precisa de suprimento de calor para se manter. Esse calor fornecido
da combusto de uma pequena parte da biomassa a ser gasificada. Quantidade de biomassa a
ser queimada controlada pela quantidade de ar que introduzido no reator. O calor liberado
nessa combusto utilizado para secar a biomassa, evaporar os seus compostos volteis e
gasificar o carvo residual para produzir o gs de sntese. Composio tpica desse gs pode ser
vista na Tabela 5.1.
Anlise cromatogrfica dos gases (% vol. b. s.):
CO
24,8
CO2
8,7
CH4
1,7
H2
16,4
C2H4 (etileno)
0,25
C6H6 (benzeno)
0,14
N2
47,3
O2
0,71
Tabela 5.1 Composio dos gases produzidos por um gasificador, aps a remoo do alcatro, particulado e gua em base
seca volumtrica. Fonte Ushima IPT, 2001.
Esse gs, para ser utilizado como combustvel, possui as seguintes desvantagens:
O poder calorfico desse pequeno (5 MJ/kg), quando comparado com outros combustveis
fsseis (metano 55 MJ/kg) devido principalmente diluio do nitrognio do ar.
O alcatro condensa a temperaturas abaixo de 120C. Como o alcatro lquido polar, e
cancergeno, ele gruda em superfcies metlicas, causando entupimentos.
Os gases saem do reator a alta temperatura (acima de 500C) e nessa temperatura no podem
ser injetados no motor, sob pena de reduo na eficincia do motor. O gs precisa ser resfriado
at a temperatura de 50C antes de ser injetado no motor.
77
Equipamento
Parmetro de
Escolha
Caldeira +
Mquina
a vapor
Caldeira +
Turbina a
vapor
Gasificador + Gasificador +
Motor a
Motor a
centelha
diesel
Potncia (kVA)
40250
250150.000
125
25500
Eficincia (%)
915
1325
2030
2535
Maturidade tecnolgica
Sim
Sim
No
No
2.700
5.000
6.000
140
150
500
500
Intermitncia de fornecimento
Sim
No
Sim
Sim
Sim
Pouca
Pouca
Sim
Manuteno
Freqente
Pouca
Pouca
Freqente
Tabela 5.2 Resumo dos critrios de seleo entre sistemas de vapor e sistemas de gasificao.
78
Os ciclos trmicos de potncia so utilizados para converter energia trmica em trabalho, podendo
usar gua ou gases como fluidos de trabalho. Quando utilizando gua, estes so denominados
de ciclos a vapor ou ciclo Rankine. O rendimento destes ciclos depende diretamente da condio
do vapor que gerado na caldeira. Quanto maiores forem a presso e a temperatura do vapor,
mais eficiente o ciclo, devido elevao da diferena entlpica do vapor entre a entrada e a
sada da turbina ou mquina a vapor. Aumentando a presso e a temperatura do vapor, mais
robusto o equipamento e, por conseguinte, mais elevado seu preo.
79
Aps a sada do superaquecedor, os gases residuais so enviados para a chamin e o vapor para
a turbina. O vapor; ao entrar na turbina, est na sua temperatura e presso mais alta. Esse vapor
injetado contra as ps de uma turbina, fazendo girar o eixo da turbina, que por sua vez est
acoplada a um gerador eltrico. A transformao de energia trmica em mecnica na turbina
reduz a energia do vapor, reduzindo sua temperatura e presso.
A idia bsica em aumentar a eficincia trmica de um ciclo a vapor est em aumentar a temperatura mdia em que calor transferido para o fluido de trabalho, ou seja, a temperatura do fluido
de trabalho deve ser a mais alta possvel durante o processo de adio de calor pela combusto.
Um dos meios de aumentar essa temperatura aumentando a presso da caldeira, que
automaticamente aumentar a temperatura em que a ebulio acontecer. Conseqentemente,
aumentar-se- a temperatura em que calor transferido para o vapor, aumentando-se assim a
eficincia do ciclo.
Outro ponto positivo em se aumentar a presso da caldeira a melhoria da qualidade do
vapor, que por iniciar o processo de expanso com uma temperatura maior, termina o processo
na sada da turbina com pequena quantidade condensada, conseqentemente causando menos
danos erosivos nas paredes da turbina.
Existem variantes de equipamentos a serem instaladas aps a turbina. A alternativa mais
simples lanar o vapor na atmosfera, e esse ciclo denominado de ciclo aberto. Como vapor
de gua no poluente, essa a alternativa de menor investimento, mas por outro lado a de
maior custo de operao. O motivo o tratamento da gua e a temperatura de entrada da gua
na caldeira. A gua de alimentao da caldeira deve ser neutra e limpa, portanto precisa ser
tratada e isso tem o seu custo. A gua ambiente est em torno dos 25C. ento necessrio
elevar essa temperatura para a temperatura de vaporizao, gastando combustvel. A maneira
mais usual de reduzir os custos de operao e aumentar a eficincia fechar o ciclo conforme
mostra a figura 6.1.
O ciclo fechado colocando-se um condensador aps a turbina. Esse condensador recebe
o vapor de gua que sai da turbina, retira seu calor condensando-o e tornando-o lquido, mas
a alta temperatura (aproximadamente 60C). O condensador transfere o calor do vapor para a
gua do sistema de resfriamento, que eleva sua temperatura em uma dezena de graus mas sem
mudar de fase. O calor da gua de resfriamento lanado na atmosfera, seja por uma torre de
resfriamento ou lanando a gua quente em reservatrios de gua como rios e lagos.
Aps sair do condensador, a gua do ciclo de vapor, figura 6.1, passa por uma bomba centrfuga
onde sua presso elevada para a presso de trabalho da caldeira, fechando o ciclo.
H tambm os ciclos de cogerao a vapor, onde h utilizao do calor rejeitado no condensador,
ou extraindo uma frao ou totalidade de vapor a baixa presso na sada da turbina para ser
utilizado em processos industriais que necessitem calor. Essa utilizao do calor rejeitado aumenta
a eficincia global do ciclo.
A figura 6.1 apresenta um ciclo a vapor com turbina, mas esse ciclo, seja aberto ou fechado,
pode ser utilizado com motores alternativos, denominados de mquinas a vapor. Diferentemente
das turbinas a vapor, na mquina a vapor o vapor injetado dentro de um cilindro com o mbolo
no seu ponto morto superior, deslocando o mbolo para o ponto morto inferior num processo
de expanso que faz girar o eixo ligado ao gerador. O restante do ciclo o mesmo.
80
POSITIVO
NEGATIVO
Wturb/motor
POSITIVO
Wbomb
(entrando no ciclo)
Note que o ciclo Rankine pode operar tanto com uma turbina quanto com um motor alternativo,
da a notao turb/motor.
A lei da conservao de energia da Termodinmica informa que num ciclo termodinmico,
a soma dos fluxos de energia na forma de calor tem que ser igual soma dos fluxos de energia
na forma de trabalho.
Qcald - Qcond = Wturb - Wbomb
motor
equao 6.1
motor
ciclo =
Qcald
equao 6.2
Acontece que o calor fornecido ao vapor na caldeira uma frao do calor de reao. Parte do
calor oriundo da combusto cedido pelo vapor e parte lanado para o ambiente na energia
dos gases saindo pela chamin, e no caso de biomassas, tambm energia perdida com os rejeitos slidos da caldeira (carves e cinzas). Para quantificar a frao do calor de combusto que
entregue ao vapor, usa-se o conceito de eficincia da caldeira, ou seja,
Qcald
cald =
Qcomb
equao 6.3
81
Como foi visto nos captulos 3 e 4, o calor de combusto quantificado atravs do pci, que no
caso da biomassa poderia ser o pciu.
Qcomb = mbio,u - PCIu
equao 6.4
Aqui vale uma observao. Conforme descrito no captulo 3, o clculo do pcs, que inicia o clculo
do pci, medido considerando que a reao ocorre nas condies estequiomtricas. Conforme
descrito no captulo 6, o processo de combusto numa caldeira acontece com excesso de ar. O
excesso de ar reduz o calor de reao, conseqentemente reduz a quantidade de calor disponvel
para ser entregue ao vapor. Para calcular o calor de combusto preciso conhecimentos dos
princpios de combusto que esto alm do escopo deste livro e recomendo ao leitor consultar
o (Turns, 2000) ou (Coelho, 1982). Por simplicidade, ser adotada a equao (6.4) para calcular
o calor liberado pela reao qumica. Reunindo as equaes (6.4)e (6.3) em (6.2)
Wturb - Wbomb
motor
ciclo =
cald . mbio,u . PCIu
equao 6.5
Essa expresso est em termos de energia (kJ), mas pode ser reescrita em termos de potncia
(kW) se o numerador e o denominador forem divididos por um intervalo de tempo.
.
.
Wturb - Wbomb
motor
ciclo =
.
cald . mbio,u . PCIu
equao 6.6
equao 6.7
motor
Substituindo as consideraes acima na equao (6.6), obtm-se a equao (6.8), que ser usada
para o pr-dimensionamento de centrais trmicas a biomassa por combusto utilizando ciclo
Rankine
.
Weltrica
.
equao 6.8
mbio,u =
gerador . cald . ciclo . PCIu
A seguir, esto faixas de valores tpicos das eficincias da equao (6.8). Os valores crescem com
o aumento da potncia da central.
Rendimento da caldeira: 80~90%;
82
Ou,
equao 6.9
.
Weltrica
.
mbio,u =
ctv . PCIu
equao 6.10
Portanto, o rendimento total esperado de uma planta a vapor com um motor a vapor situa-se numa
faixa de 13% a 28%. Centrais a vapor com turbinas possuem seu rendimento entre 25 e 45%.
6.3 C
onsumo Especfico de Biomassa de uma Planta
a Vapor
Outra maneira de caracterizar a eficincia de uma planta a vapor consumindo biomassa
relacionando a quantidade de biomassa consumida na caldeira (kg/h) pela potncia eltrica gerada
(kW). Essa definio um rearranjo da equao (6.10) e denominado de consumo especfico
da central trmica a vapor (CoEsctv), sendo expresso em kg/h/kW ou kg/kW-h.
.
1
kg
mbio,u
= = CoEsctv
.
kW - h
Weltrica ctv . PCIu
equao 6.11
O consumo especfico de uma planta a vapor aumenta com a diminuio da potncia da central.
Alm disso, observando a equao (6.11) o consumo especfico da planta diminui (o que bom) com
o aumento da eficincia dos componentes da central e do poder calorfico mido do combustvel.
Quanto menor a umidade da biomassa, maior ser o pci e menor ser o consumo especfico da
central. A ttulo de exemplo, a figura 6.2 mostra a curva da CoEsctv de um fabricante para uma
biomassa especfica com 50 % de umidade, operando a 21 atm, ter um consumo especfico de
2 a 5 kg/h de biomassa para 1 kW produzido.
Figura 6.2 Perfil tpico do consumo especfico de biomassa para suprir as necessidades de usinas de gerao de energia
eltrica a vapor com potncia na faixa de 50 a 2.000 kW.
83
.
turb
mvapor . h
motor
equao 6.12
Onde mvapor o fluxo de vapor (kg/h) e h a variao da entalpia do vapor entre entrada e sada
da turbina ou motor (kJ/kg). Reorganizando a equao (6.12) e usando o conceito da equao
(6.7), obtm-se a equao (6.13).
.
1
kg
mvapor
= = CoEsvapor
.
kW - h
turb . eltrica . h
Weltrica
equao 6.13
motor
O consumo especfico de mquinas a vapor na sua condio nominal (mquina trabalha na sua
condio de maior eficincia) varia entre 15 a 20 kg/h de vapor para cada 1 kW de eletricidade
produzido no gerador. Por razes construtivas, estes equipamentos no admitem presses
de entrada superiores a 18 atm e esto disponveis no mercado brasileiro para potncias no
superiores a 250 kW.
O consumo especfico de turbinas a vapor est na faixa de 8 a 20 kg/h de vapor para cada
1 kW de potncia fornecida pelo gerador. Elas so fabricadas no Brasil desde 5 kW at 60MW.
Estas turbinas so projetadas para admitir presses do vapor de entrada na faixa desde 8 at 60
atm e presses do vapor na sada desde 0,1 atm.
84
equao 6.14
O calor da caldeira absorvido pelo vapor pode ser calculado pela expresso
.
.
Qcald = mvapor . h
equao 6.15
Onde h a variao da entalpia do vapor entre sada e entrada da caldeira (kJ/kg). Substituindo
equao (6.15) em equao (6.14) e re-ordenando.
.
mvapor
PCIu
=
.
mbio,u h . cald
equao 6.16
As caldeiras disponveis no mercado brasileiro operam com rendimento na faixa de 85%. Uma
caldeira operando a 21 atm e sendo alimentada com biomassa com 50 % de umidade, para um
consumo mdio de 1 kg/h de biomassa, ela ir produzir 4 kg/h de vapor gerado.
6.6 S
eqncia para o Pr-dimensionamento de uma
Planta a Vapor
Os parmetros iniciais para comear o pr-dimensionamento de uma planta a vapor so a
potncia nominal da planta e o consumo especfico de vapor da turbina. Com eles, a quantidade
de biomassa a ser consumida pela caldeira pode ser calculada, o que determina o tamanho da
caldeira. O dimensionamento dos demais perifricos da planta, ou seja, volume do tanque de
condensado e a capacidade trmica do condensador so obtidos pela quantidade e qualidade
do vapor a ser gerado por hora no ciclo termodinmico. Portanto, para o dimensionamento da
planta de gerao de energia eltrica, pode ser seguida a seguinte rotina:
a) Quantificar a demanda de energia a ser fornecida pela planta utilizando a curva de carga;
b) Q
ualificar e quantificar a biomassa disponibilizada: conhecer o pci Poder Calorfico
Inferior atravs do pcs Poder Calorfico Superior, anlise elementar e umidade;
c) E
scolher o tipo de mquina a vapor a ser utilizada no projeto: turbina ou mquina
alternativa a vapor. Nesta escolha j se define o gerador de energia eltrica que tem
que atender as condies de tenso, corrente, freqncia e regime de funcionamento
(contnuo ou intermitente) a que estar sendo requisitado;
d) O
bter do fabricante da turbina ou mquina alternativa a vapor seu consumo especfico e
suas caractersticas dimensionais;
e) C
alcular a quantidade de vapor necessria para atender a demanda de energia utilizando
a equao (6.11);
f) C
om a quantidade e qualidade do vapor requerida, definir o tamanho da caldeira e obter
do fabricante suas caractersticas dimensionais. Definir o tipo de fornalha em funo da
biomassa disponibilizada;
g) Identificar a quantidade de biomassa a ser disponibilizada. (Uma primeira aproximao
pode ser 1 kg de biomassa para cada 4 kg de vapor gerado);
h) C
alcular o volume do tanque de condensado: 1,5 vezes a quantidade de vapor/h
necessria no processo;
i) Dimensionar a capacidade trmica do condensador com os dados de presso e
85
Como a biomassa mida disponvel de 2.900 kg/h a uma umidade mdia de 30%, ento:
Biomassa seca disponvel = 2900 0,70 = 2030 kg/h
Assumindo que o consumo especifico de biomassa seca da central de 3,5 kg/kWh
2030
= 580 kW
3,5
Consultando os fabricantes de caldeira, verifica-se que a turbina fabricada no Brasil mais prxima
desse valor de 500 kW e que possui um consumo especfico de biomassa de 3,75 kg/kWh. Assim
sendo, o consumo de biomassa para atender essa turbina ser de
kg
3,75 500 = 1875
h
A produo de vapor de uma caldeira operando com vapor a 21 atm ser obtida por:
kg
kg
1 de biomassa = 4 de vapor
h
h
kg
kg
1875 de biomassa = 7500 de vapor
h
h
86
Consultando os fabricantes, a caldeira mais prxima desse valor com uma produo de vapor
de 8.000 kg/h a uma presso de 21 atm:
kg
kg
biomassa
8000 de vapor = 2000 de
h
h
h
Ento, esta planta poder ter a seguinte configurao:
C
aldeira com produo nominal de 8.000 kg/h e presso de 21 atm. Temperatura do
vapor de sada de 217C;
Turbina de contra presso com entrada de vapor a 21 atm e sada a presso de 1 atm ,
temperatura de entrada do vapor 216C , rotao 7.000 rpm;
Redutor de velocidade, entrada de 7.000 rpm e sada para 1.800 rpm;
Gerador 500 kW/380V/1800 rpm. Alternador Sncrono Trifsico, tipo industrial, sistema
de excitao brushless (sem escovas), regulador eletrnico de tenso;
Condensador com capacidade para condensar 7.500 kg de vapor a uma presso de
1 atm, entalpia de vaporizao = 2,3 MJ/kg, e temperatura de 80C. O calor a ser
removido no condensador, admitindo que a temperatura do condensado seja de 80C.
Q = 7500 . 2300 + 7500 4,18 . (100 - 80)
MJ
Q = 17,6
h
O projeto do condensador ir depender das condies de entrada do fluido de refrigerao a ser
utilizado. Normalmente utiliza-se gua de um manancial prximo ou, quando escassa, utiliza-se
torre de resfriamento em circuito fechado.
Tanque de condensado com volume de 12.000 litros
Cargas parasitas obtidas junto aos fabricantes:
Caldeira: 50 CV (36,77 kW).
Condensador: 20 CV (14,71 kW).
Total das cargas parasitas: 70 CV (51,48 kW), representando 10,3% da potncia disponibilizada
pelo gerador.
Potncia disponibilizada para a produo: 448,52 kW.
Obtendo os dados dos fabricantes dos equipamentos:
87
Gerao de eletricidade com gasificao de biomassa uma atividade com uma longa cadeia
produtiva, onde cada elo da cadeia essencial ao bom funcionamento da operao seguinte. A
figura 7.1 mostra a cadeia, indicando as etapas da cadeia produtiva. No levar em considerao
uma das etapas compromete toda a cadeia.
Figura 7.1 A cadeia completa do uso de biomassa e gasificao para gerao de eletricidade
88
Tipo de Gasificador
Extrao por
Cima
Leito
Fluidizado
Reagentes
Prmisturados
Tamanho (mm)
20-100
5-100
10-100
<1
< 1520
< 50
< 40
< 15
<5
< 15
< 20
< 20
>500
>400
> 100
> 400
>1250
>1000
>1000
<1250
Massa especfica aparente: a massa especfica aparente definida como o peso por unidade de
volume do combustvel simplesmente empilhado. Os combustveis de elevada massa especifica a
granel tm vantagens porque possuem um alto valor de energia por volume. Por conseqncia,
necessitam menos espao para seu armazenamento e so de fcil transporte.
Os combustveis de baixa massa especfica a granel podem ocasionar uma baixa vazo do
gs, chegando a reduzir o poder calorfico do gs e podendo causar uma possvel combusto na
zona de reduo. As massas especficas podem ser melhoradas com a converso da biomassa
3
em briquetes, pletes ou cavacos. A massa especfica aparente pode variar de 1001000 kg/m
e a Tabela 3.4 mostram-se massas especficas aparentes para alguns tipos de biomassa. Deve-se
considerar que esta massa especfica varia consideravelmente conforme a umidade e o tamanho
da partcula.
Teor de cinzas e sua composio: as cinzas, resduos da combusto de biomassa, so compostas
de substncias inorgnicas e metlicas. O teor de cinza da biomassa varia de 0,1%, no caso da
madeira, at 15% em alguns materiais agrcolas. As cinzas podem ocasionar diversos problemas
em razo de sua possvel fuso e acumulao. A temperatura de fuso da cinza depende da sua
composio. A fuso da cinza causa a formao de escria, que permite a formao de canais
preferenciais de escoamento no reator e o bloqueio por entupimento das grelhas.
No se observa formao de escria em combustveis que possuem contedos de cinza
inferiores a 6%. possvel encontrar uma considervel formao de cinzas em contedos superiores
a 12%. A avaliao da formao de escria para o contedo de cinza de 6 a 12 % depender da
temperatura de fuso das cinzas.
Teor de volteis: o teor de volteis tem impacto direto no teor de alcatro dos gases. Quanto
maior o teor de volteis, maior o teor de alcatro nos gases dentro do reator. O teor de volteis
para biomassa vegetal varia de 5080% e alguns valores de biomassas amaznicas podem ser
vistos na Tabela 3.4.
89
Aqui a biomassa alimentada pelo topo do gasificador e fica apoiada sobre uma grelha.
medida que a biomassa passa pelos diferentes processos trmicos no interior do reator, ela vai
se movendo contra a grelha, pois o produto do processo final a cinza, que passa pela grelha
90
e cai no cinzeiro. J o ar faz o movimento ascendente, entrando por baixo da grelha, cruzando
a biomassa e saindo por cima. O ar, passando pela grelha, encontra carvo de biomassa a alta
temperatura. O oxignio do ar reage com a superfcie do carvo, formando uma combusto
incandescente e liberando calor e CO2 . Como a quantidade de oxignio aproximadamente um
tero da quantidade estequiomtrica, todo o oxignio consumido na etapa de oxidao e os
produtos da oxidao (calor, CO2, H2O da umidade do ar, CO, N2) so transferidos, num movimento
ascendente, para o restante do carvo que reage conforme explicado no item 3.2. O produto
da rea de reduo, que so gases a alta temperatura (~500C), CO, H2 , CH4 , CO2 e N2 , cruzam
a uma regio de biomassa seca, elevando a sua temperatura acima do limite de pirolisao. A
biomassa ento libera seus volteis, incluindo o alcatro que se junta aos gases no movimento
ascendente. Essa mistura de gases, agora em mais baixa temperatura (~250C) cruza a parte da
biomassa mida, provocando a sua secagem e removendo o vapor de gua. A mistura de gases
removida pela parte superior a uma temperatura baixa (tab 7.2).
As vantagens desse gasificador so: a sua simplicidade; o consumo de biomassa por rea de
reator alto; e a temperatura dos gases na sada relativamente baixa. Como o vapor de gua
de secagem no cruza a regio de oxidao, biomassas com altos teores de umidade podem ser
usadas (< 60% bu) e o reator pode operar com granulometria de biomassa bastante pequena (ver
tabela 7.1). A principal desvantagem desse equipamento o grande teor de alcatro e volteis
nesses gases (ver tabela 7.2). Isso no problema se os gases forem utilizados para gerar calor
num processo de combusto, pois esses gases so combustveis e elevam o valor do pci. Por
outro lado, se esses gases forem utilizados num motor de combusto interna, os gases teriam
que ser resfriados a menos de 60C, causando a condensao de alcatro, o que compromete a
operao dos motores. Nesse caso seria necessrio que o gs passasse por um sofisticado sistema
de limpeza para reduzir os teores de alcatro e umidade aos nveis tolerveis.
Gasificadores com extrao por baixo (downdraft figura 7.3)
Nestes gasificadores, de maneira similar que os de extrao por cima, a biomassa combustvel
alimentada por cima, apoiada na grelha e escoando de cima para baixo. Por outro lado, o movimento
do gs, em vez de ser ascendente, descendente, sendo retirado por baixo do reator. Aqui o ar
injetado lateralmente, no sentido radial, de maneira que ele se misture com o carvo, formando
uma regio de incandescncia e liberando calor. Esse calor transferido por conduo, tanto
para a biomassa acima da regio de oxidao quanto abaixo. A biomassa acima j est seca e o
91
calor da regio de oxidao a faz pirolisar e emitir os volteis (inclusive alcatro). Esses volteis
tm que escoar por baixo, passando pela regio de oxidao, misturando-se com o ar e entrando
em combusto. Como a reao gasosa mais fcil de ocorrer, o alcatro prioritariamente
queimado, economizando o carvo que passa pela regio de oxidao, acumulando-se na regio
de reduo (abaixo da regio de oxidao). O alcatro que no reage com o oxignio craqueado
em razo de ter que passar por uma regio de alta temperatura (quanto maior, melhor). A regio
de reduo recebe o calor oriundo da oxidao, alm dos seus produtos CO2 e H2O. O carvo
entra ento num processo de reduo e os produtos dessa regio, que so o gs de sntese e a
cinza, passam para baixo da grade.
A vantagem desse arranjo que a maior parte do alcatro produzido na pirlise destrudo na
3
oxidao, fazendo com que o gs de sada tenha baixo teor de alcatro (<100 mg/Nm ). Gs com
esse teor ainda no propcio para utilizao em motores, mas reduz drasticamente o sistema de
limpeza de gs. As desvantagens so que os gases interagem com a regio de particulados finos,
arrastando-os consigo para fora do gasificador. O gs tambm est a alta temperatura (ver tabela
7.2) necessitando ser resfriado para poder ser injetado em motores. Outra desvantagem que esses
gasificadores no podem ser utilizados em grandes potncias, pois o aumento da seo transversal
do reator dificulta a chegada do oxignio na regio central, criando uma zona fria por onde o alcatro
no destrudo. A potncia mxima que esses gasificadores se aplicam de 500 kWe.
A biomassa para esse gasificador deve ter umidade menor que 25%bu (gua vai cruzar zona
de oxidao, reduzindo sua temperatura) e no pode operar com partculas muito pequenas (na
faixa de 410 cm) para no bloquear o escoamento dos gases.
Gasificadores Imbert (figura 7.4)
92
Nestes gasificadores, novamente a biomassa alimentada pelo topo e apoiada numa grelha,
tendo o movimento descendente medida que a cinza removida. J a entrada de ar e a sada
de gs de sntese esto diametralmente opostas na seo transversal do reator. Esse gasificador
opera principalmente com carvo, pois o tempo de residncia dos gases no interior do reator
muito pequeno. Se o combustvel tiver altos teores de volteis, no haver tempo para queimar
ou craquear o alcatro. A temperatura dos gases na sada muito grande (>1000C) quando
operando com carvo.
A vantagem desse arranjo que operando com carvo vegetal (se for de boa qualidade), os
teores de alcatro envolvidos so to baixos que reduz o sistema de limpeza a ciclones e filtros.
Tipo de Gasificador
Extrao por
Baixo
Extrao por
Cima
Extrao Transversal
(Carvo)
Biomassa combustvel
Teor de umidade (%bu)
12 (max 25)
43 (max 60)
1020
0,51,0
520
0,5 (max 6)
granulometria (mm)
20100
5100
700
200400
1250
0,0150,5
30150
0,010,1
8590
9095
7590
65v75
4060
7085
4,55,0
5,06,0
4,04,5
PCI do gs (MJ/kg)
93
No foi ainda desenvolvido um arranjo de gasificador de extrao por baixo que produza
gases isentos de alcatro. A produo indesejada de alcatro causada por uso de biomassa
com caractersticas imprprias: morfologia, umidade, distribuio de tamanho e escoamento no
uniforme do carvo. Para esse ltimo, se a biomassa no escoa uniformemente, so formados
canais preferenciais de escoamento dos gases, fazendo com que a temperatura do restante da
biomassa reduza, parando as reaes. O perodo transiente (partidas e paradas) tambm aumenta
o teor de alcatro nos gases. Esses gasificadores devem trabalhar em regime permanente prximo
condio nominal.
Exploses podem ocorrer como resultado do vazamento do gs de sntese atravs do sistema
de alimentao de biomassa, descarga de cinza ou outros pontos de vazamento. Aps a parada do
gasificador, gs combustvel fica no interior do reator. Se o reator for ligado imediatamente a seguir,
exploses podem ocorrer. Portanto, preciso ventilar o reator entre paradas e partidas.
O escoamento de biomassa pode ser interrompido dentro do reator pela formao de pontes
de biomassa. Essas pontes acontecem por uma combinao de massa especfica aparente,
morfologia e distribuio de tamanho.
Corroso pode aparecer nas paredes das regies de alta temperatura dentro do reator como,
por exemplo, a parede da garganta. Essa corroso provocada pelos elementos contidos na
biomassa, como o cloro.
94
mquina, fechamos a primeira entrada e, s ento, abrimos a vlvula que d biomassa acesso
ao corpo do gasificador figura 7.7.
A escolha do tipo de secagem est em funo de variveis como umidade da biomassa, tempo
de secagem previsto, espao fsico disponvel e capital.
95
O passo final escolher o melhor meio de depositar o material coletado do gasificador, pois diversos
dos contaminantes so agentes cancergenos e outros causam problemas respiratrios.
Separadores Secos
Cmara de Deposio Gravitacional
um dos dispositivos mais simples para a separao de material particulado. O principio de
funcionamento baseia-se na gravidade, onde quanto maior a distncia fornecida para o trajeto da
partcula, menor ser sua velocidade terminal e maior ser a chance dessa partcula ser coletada,
como mostrado na figura 7.9. Tcnicas de projeto de cmara de deposio gravitacional podem
ser consultadas em (Lacava e Carvalho).
96
Separadores Ciclnicos
Os separadores ciclnicos so os separadores mais
simples e baratos para a separao de partculas
e de gotas. Nesse tipo de separador os produtos
da combusto entram tangencialmente, e a fora
centrfuga atira as partculas e gotas contra a
parede cilndrica. Aps o choque, as partculas
deslizam para parte inferior, onde sero coletadas.
O movimento dos gases mostrado na figura
7.10, indicado pelas espirais. Em geral os ciclones
removem partculas maiores que 10m. Tcnicas
de projeto de separadores ciclnicos podem ser
consultadas em (Lacava e Carvalho) and Reeds.
Precipitadores eletrostticos
O precipitador eletrosttico (ver figura 7.11) um
separador de partculas altamente eficiente para
pequenas dimenses. Esse dispositivo produz
uma carga eltrica nas partculas, as quais so
atradas para eletrodos de coleta, por ao das
foras eletrostticas.
Separadores midos
H vrios tipos de separadores midos, mas um dos
mais simples e comumente utilizado o separador
do tipo Spray, mostrado na figura 7.12.
97
Filtro de Biomassa
Para a separao de particulado e alcatro
pode ser utilizado um filtro de biomassa. Este
filtro consiste de uma caixa contendo biomassa
(caroo de aa bastante eficiente) por onde o
gs produzido no gasificador forado a passar
pela cama de biomassa, que reter o material
particulado e o alcatro. Para a utilizao desse
tipo de filtro necessrio que os gases sejam
previamente resfriados a uma temperatura
inferior temperatura de pirlise da biomassa,
de forma que o filtro no pirlise a biomassa
contida nele.
Figura 7.14 Filtro de biomassa
98
Figura 7.15 Sistema de gasificao de biomassa com utilizao de filtros midos. Fonte: Instituto Indiano de Cincias.
99
100
calorfico em torno de 3,6 MJ/kg. De acordo com esta relao, vemos que existe uma perda de
potncia no motor de 35%.
Esta perda ocorre principalmente porque o gs ocupa 50% do volume da mistura, enquanto a
gasolina ocupa 2%; esta variao volumtrica diretamente proporcional potncia desenvolvida
nos cilindros do motor. Ao contrrio da massa da mistura gs-ar, que inversamente proporcional
sua temperatura e perda de carga do circuito gasificador-motor.
Para evitar os problemas citados, recomendvel produzir um gs com o maior poder calorfico
possvel, minimizando as perdas no circuito gasificador-motor, utilizando tubulaes de dimetros
grandes, unidades de filtragem e resfriado tecnicamente calculados em funo do motor. Outro
problema que causa perda de potncia no motor a menor flamabilidade do gs (queima mais
lenta dentro dos cilindros), que pode ser solucionado com o avano do ponto de ignio. A
soluo eficaz para gasificadores que produzem gs com poder calorfico baixo a utilizao de
um turbo-compresor para aumentar a presso de alimentao dos cilindros no motor.
recomendvel a utilizao de motores de grandes cilindradas e alta rotao. O uso de um
carburador auxiliar gs-gasolina tambm pode resolver satisfatoriamente o problema de perda
de potncia, mas s dever ser utilizado em momentos de necessidade do aumento do torque
no motor.
7.6 D
imensionamento do Reator de Extrao por
Baixo, Topo Fechado
A seguir, as orientaes para o dimensionamento de um gasificador do tipo leito fixo, com
extrao por baixo (downdraft).
rea da Seo Transversal do Reator
Dados de entrada: necessrio conhecer os seguintes dados:
T
axa especfica de gasificao, [kg/m2-h], que est compreendida entre 100400.
O valor inicial de 200 kg/m2-h.
Poder calorfico inferior do combustvel (base mida), pcif [MJ/kg].
.
Fluxo mssico do combustvel, mf [kg/h].
Processo de clculo:
Inicialmente calcularemos a energia do combustvel (qf) , defina pela equao 7.1.
.
qf = mfPCIf
[W]
equao 7.1
101
1
930,7079 - 0,0231
ng = 17,8627 -
PCIf
equao 7.2
[g]
equao 7.3
O poder calorfico inferior do gs (pcigas) pode ser determinado com ajuda da equao 7.4:
PCIgas = 5,9417 - 8,2893 10-3
[MJ/Nm3]
equao 7.4
Definido o poder calorfico inferior do gs, possvel calcular o fluxo volumtrico do gs (Vg)
utilizando a equao 7.5:
qg
vg =
PCIgas
[m3/h]
equao 7.5
A velocidade superficial (v) ser determinada utilizando a equao 7.6. Essa velocidade permitir
calcular a seo transversal do reator do gasificador:
v = 2,7878 - 156,65
[m/h]
equao 7.6
Finalmente, para determinar a rea da seo transversal do reator (Ar) utilizaremos a equao 7.7:
Vg
Ar =
v
[m2]
equao 7.7
Altura do gasificador
Para determinar a altura mnima requerida do gasificador necessrio estabelecer a freqncia
com que o gasificador ser alimentado. No geral, este tempo varia de hora a 5 horas, e a
altura mxima do gasificador depende da altura mxima do local onde se encontra o gasificador.
Geralmente, este limite de 3,5 m de altura.
Conhecido o fluxo mssico e o tempo de alimentao, possvel determinar a massa de combustvel que ser consumida no processo durante um determinado tempo. Para isso utilizaremos
a equao 7.8.
.
mf = mf t
[kg]
equao 7.8
Conhecida essa massa, possvel determinar a altura do reator empregando a equao 7.9.
mf
Hr =
Ar f
102
[m]
equao 7.9
Onde:
Hr: Altura do reator, [m]
mf : Massa consumida no tempo t, [kg]
2
Ar: rea da seo transversal do reator, [m ]
f : Massa especfica a granel do combustvel, [kg/m3]
t: Tempo de autonomia de trabalho, [h]
Dimenses do gasificador
Outras dimenses do reator como seu dimetro de tubos de entrada do ar, vazadas na seo
transversal do reator, altura da grelha e outros, podem ser determinadas utilizando a Tabela 7.3.
dh
dr
dr
dm
Am100
dr
Ah
dh
dh
Limite da sada
Mximo
Velocidade
do gs
consumo
do ar
Max.
Mn.
[Nm3/h] [Nm3/h]
de madeira
Vm
[kg/h]
[m/s]
268/60
60
268
150
80
256
100
7,5
7,8
4,5
1,33
30
14
22,4
268/80
80
268
176
95
256
100
6,4
3,3
1,19
44
21
23,0
268/100 100
268
202
100
256
100
10,5
5,5
2,7
1,00
63
30
24,2
26,0
268/120 120
268
216
110
256
100
12
5,0
2,2
0,92
90
12
42
300/100 100
300
208
100
275
115
10,5
5,5
3,0
1,00
77
10
36
29,4
300/115
115
300
228
105
275
115
11,5
5,0
2,6
0,92
95
12
45
30,3
300/130 130
275
115
12,5
4,6
2,3
0,85
115
15
55
31,5
300
248
110
300/150 150
300
258
120
275
115
14,0
4,4
2,0
0,80
140
18
67
30,0
400/130 130
400
258
110
370
155
10,5
4,6
3,1
0,85
120
17
57
32,6
400/150 150
400
258
120
370
155
12,0
4,5
2,7
0,80
150
21
71
32,6
400/175
175
400
308
130
370
155
13,5
4,2
2,3
0,74
190
26
90
31,4
400/200 200
400
318
145
370
153
16,0
3,9
2,0
0,73
230
33
110
31,2
Tabela 7.3 Dimetro de tubos apropriados para gasificadores de madeira que funcionam com motores de quatro tempos
dr
dr
dm
h
H
dh
103
Na prtica, comum o uso de tubos de 7,62 cm (3 in) de dimetro logo aps a sada do gasificador,
onde o gs est com alta temperatura, e de 6,35 cm (2.5 in) de dimetro do sistema de filtragem
para frente.
Isolamento
O corpo de um gasificador tem que estar formado, no mnimo, por trs camadas de materiais.
Os materiais e as dimenses recomendveis encontram-se na Tabela 7.4.
Capa
Material
Ao ao carbono
Estrutura do gasificador
Isolante mineral
20
Tijolo refratrio
110
Isolamento trmico
Dimenso [mm]
Funo
104
dh
dr
dr
dm
400
258
120
370
155
12
Am100
dr
Ah
dh
dh
4,5
2,7
0,8
Limite da sada
Mximo
Velocidade
do gs
consumo
do ar
de aa
Vm
[kg/h]
[m/s]
71
32,6
Max.
Mn.
150
21
dr
dr
dm
h
H
dh
105
Figura 8.1 Localizao de empresas produtoras de resduos vegetais no Estado do Par, EBMA 2004
106
A etapa seguinte foi o levantamento de campo. Cada unidade produtora de resduos foi visitada
e coletadas as seguintes informaes: latitude e longitude da empresa, quantidade anual de
biomassa que entra na unidade industrial em volume ou em massa ao longo de um ano e os tipos.
A opo por quantificar a entrada de biomassa no processo, e no o resduo, que o interesse
final desse levantamento definir a quantidade mssica de resduos. As empresas possuem
controle volumtrico da entrada de biomassa como tora, no beneficiamento e na laminao, mas
no possuem a quantidade de resduos. Quantificar a massa de resduo por medio de volume
no permite quantificar a massa, pois a massa especfica aparente varia conforme a arrumao
dos resduos. Por outro lado, conhecendo a eficincia dos processos, ou seja, quanto da biomassa
que entra no processo se torna resduo, conhecendo o volume de biomassa inicial e sua massa
especfica, a massa de resduos pode ser calculado.
A metodologia inicia com o levantamento do volume de tora beneficiada e laminada que a
indstria consome, utilizando a equao (8.1).
VRD = VT . (1 - IAT) + VB . (1 - IAB) + VL . (1 - IAL)
equao 8.1
55%
70%
65%
Note que o volume anual de resduo disponvel calculado pela equao (8.1) est em m . Para
calcular a massa de resduo disponvel, o vrd calculado multiplicado pela massa especfica da
madeira, como mostrado na equao (8.2).
MRD = . VRD
equao 8.2
Onde:
107
utilizando o programa ArcView. O resultado desse levantameto nos 143 municpios, com os totais
por municpio, est na figura 8.2.
Figura 8.2 Resultado do volume disponvel de resduos vegetais no Estado do Par por municpio
Para essa biomassa localizada e quantificada poder ser empregada como combustvel em plantas
energticas preciso caracteriz-las. Essa caracterizao, conforme apresentado no captulo 4,
consiste na determinao do poder calorfico superior, anlise elementar e anlise imediata.
Durante os levantamentos de campo, amostras dos diferentes resduos foram coletadas
e trazidas para anlise laboratorial, onde os parmetros energticos foram quantificados. Os
resultados dessas anlises esto na Tabela 3.4. Conhecendo o pci de cada biomassa, e a quantidade
anual, em massa, o produto desses dois parmetros fornece a quantidade anual disponvel de
energia. Dividindo pela quantidade de segundos no ano, obtm-se a potncia mdia anual dessa
biomassa. A somatria dessa potncia em cada municpio est expressa na figura 8.3.
Figura 8.3 Mapa representativo do potencial de resduos gerados pelo setor madeireiro no Estado do Par
108
O resultado desse levantamento mostrou que o setor madeireiro gera uma quantidade significativa
de resduos em funo do baixo rendimento dos processos de desdobro, beneficiamento e
laminao da madeira processada. So produzidos mais de seis milhes de metros cbicos de
resduo por ano. Deste volume, em torno de 3,61 milhes de metros cbicos tm potencial de
aproveitamento para gerao de energia.
Considerando a implantao de usinas a vapor, os resduos produzidos no Estado do Par com possibilidade de aproveitamento representam um potencial em torno de 160 MW mdio. Este potencial
encontra-se distribudo nos municpios do Estado nas diversas empresas madeireiras, que geralmente esto
localizadas prximas aos ncleos urbanos. Considerando a demanda mxima dos municpios e a disposio
geogrfica dos potenciais geradores, esta gerao poder ter uma penetrao considervel em algumas
regies do Estado, principalmente nas regies isoladas do setor eltrico, contribuindo para um significativo
deslocamento do diesel, que hoje predomina na gerao eltrica destas localidades isoladas.
O aproveitamento adequado deste potencial permite tambm dar destinao adequada a resduos
gerados por um dos principais setores da economia do Estado do Par, eliminar o consumo de leo diesel para
gerao de energia em sistemas isolados e reduzir a emisso de CO nos municpios isolados do Estado.
8.2 D
imensionamento da Carga a ser atendida pela
Planta
A eletrificao em comunidades isoladas na Amaznia uma questo essencialmente social, e levar a
energia a essas reas surge como um desafio, uma conquista de cidadania, dentro de uma sociedade
com desigualdades sociais e econmicas (Serpa, 2001). No entanto, a maioria das tentativas de se
alcanar esse desafio tem fracassado pela falta de uma avaliao detalhada do problema existente
em cada comunidade em particular. De maneira geral, a necessidade de suprimento de energia
eltrica em comunidades isoladas depende fundamentalmente das caractersticas do contexto em
que ela est inserida, tais como: suas atividades econmicas e scio-culturais, recursos energticos
disponveis no local, padres de demanda, tamanho da carga, grau de disperso da comunidade e
condies ambientais. O procedimento de avaliao se fundamenta basicamente no levantamento da
carga instalada e da demanda reprimida da comunidade isolada. Tendo em vista estas informaes,
vrios cenrios energticos podem ser criados, com o objetivo de se estimar as possveis curvas de
carga para a comunidade, as quais so de fundamental importncia para qualquer tomada de deciso
relacionada soluo do suprimento de energia eltrica, permitindo uma melhor visualizao e
compreenso do problema de suprimento de energia eltrica em comunidades isoladas na Amaznia.
Portanto, o grande objetivo deste captulo apresentar uma metodologia para a avaliao do
problema de suprimento de energia eltrica em comunidades isoladas.
109
Populao residente;
Populao flutuante (em caso de regies com turismo sazonal, por exemplo);
Quais as atividades scio-econmicas existentes na regio (extrativismo, pesca,
agricultura, etc.);
Quais os tipos de consumidores existentes (comercial, industrial ou residencial);
Localizao e tipo de clima existente.
Alm das informaes anteriores, outras informaes complementares se fazem necessrias, tais
como:
S
e h uso de energia eltrica na localidade (por exemplo, uso de energia proveniente de
grupo gerador a diesel);
Se houver uso de energia, quais equipamentos esto instalados;
Se, alm da energia eltrica, existe o uso de outros energticos que possam ser
substitudos por energia eltrica;
Quais as aspiraes futuras em termos de aquisio de novos equipamentos.
O ltimo aspecto mencionado importante para se avaliar qual a demanda reprimida que deve
ser considerada pelo sistema de fornecimento de energia eltrica.
Com base nessas informaes, vrios cenrios energticos podem ser elaborados, com o objetivo
de estimar as possveis curvas de carga passveis de serem atendidas pela unidade de gerao. Essas
curvas so utilizadas na tomada de deciso relacionada soluo do suprimento de energia eltrica,
permitindo uma melhor visualizao e compreenso desse problema em cada caso em particular.
[kWh]
equao 8.3
Onde:
P = Potncia do equipamento em watts;
t = Perodo de tempo que o equipamento utilizado durante o dia (hora);
Cunitaria = Carga diria de energia que o equipamento consome em kWh.
ii) Para um conjunto de equipamentos: somar as cargas dirias de energia de cada
equipamento (os produtos da potncia de cada equipamento (W) nmero de horas
utilizadas durante o dia, dividido por 1000);
1 N
Cglobal = i=1
Pi ti
1000
[kWh]
equao 8.4
Onde:
Pi = Potncia do equipamento i em watts;
ti = Perodo de tempo que o equipamento i utilizado durante o dia (hora);
Cglobal = Carga total diria de energia que consumida por todos os equipamentos em kWh.
110
Dias
estimados
Uso/Ms
ABRIDOR/AFIADOR
135
10
5 min
0,11
AFIADOR DE FACAS
20
30 min
0,05
APARELHO DE SOM 3 EM 1
80
20
3h
4,8
20
30
4h
2,4
Aparelhos Eltricos
Mdia
Utilizao/Dia
Consumo Mdio
Mensal
(kWh)
AQUECEDOR DE AMBIENTE
1550
15
8h
186,0
AQUECEDOR DE MAMADEIRA
100
30
15 min
0,75
1000
30
8h
120
1350
30
8h
162
1450
30
8h
174
2000
30
8h
240
2100
30
8h
252
ASPIRADOR DE P
100
30
20 min
10,0
BARBEADOR/DEPILADOR/MASSAGEADOR
10
30
30 min
0,15
BATEDEIRA
120
30 h
0,48
BOILER 50 e 60 L
1500
30
6h
270,0
BOILER 100 L
2030
30
6h
365,4
540,0
3000
30
6h
335
30
30 min
5,02
613
30
30 min
9,20
849
30
30 min
12,74
BOMBA D'GUA 1 CV
1051
30
30 min
15,77
10
30
24 h
7,2
30
24 h
3,6
CAFETEIRA ELTRICA
600
30
1h
18,0
CHURRASQUEIRA
3800
4h
76,0
CHUVEIRO ELTRICO
3500
30
40 min **
70,0
CIRCULADOR AR GRANDE
200
30
8h
48,0
CIRCULADOR AR PEQUENO/MDIO
90
30
8h
21,6
180
30
3h
16,2
1140
2h
4,5
500
2h
2,0
ENCERADEIRA
500
2h
2,0
50
30
10 min
0,2
ESPREMEDOR DE FRUTAS
65
20
10 min
0,22
EXAUSTOR FOGO
170
30
4h
20,4
EXAUSTOR PAREDE
110
30
4h
13,2
FACA ELTRICA
220
10 min
0,18
1000
12
1h
12,0
60
30
5 min
0,15
9120
30
4h
1094,4
1500
30
1h
45,0
800
20
1h
16,0
FORNO MICROONDAS
12,0
FOGO COMUM
1200
30
2O min
FREEZER VERTICAL/HORIZONTAL
130
50
FRIGOBAR
70
25,0
1000
15
FRITADEIRA ELTRICA
Procedimentos
para Dimensionamento de uma
Planta de
Potncia30 min
7,5
GELADEIRA 1 PORTA
90
30
GELADEIRA 2 PORTAS
130
55
111
FACA ELTRICA
220
10 min
0,18
1000
60
12
1h
12,0
30
5 min
9120
0,15
30
4h
1094,4
1500
30
1h
45,0
800
20
1h
16,0
1200
30
2O min
FORNO MICROONDAS
12,0
FREEZER VERTICAL/HORIZONTAL
130
50
FRIGOBAR
70
25,0
1000
15
30 min
7,5
GELADEIRA 1 PORTA
90
30
GELADEIRA 2 PORTAS
130
55
GRILL
900
10
30 min
4,5
FOGO COMUM
FRITADEIRA ELTRICA
IOGURTEIRA
26
10
30 min
0,1
11
30
5h
1,65
15
30
5h
2,2
23
30
5h
3,5
LMPADA INCANDESCENTE - 40 W
40
30
5h
6,0
LMPADA INCANDESCENTE - 60 W
60
30
5h
9,0
100
30
5h
15,0
LAVADORA DE LOUAS
1500
30
40 min
30,0
LAVADORA DE ROUPAS
500
12
1h
6,0
LIQUIDIFICADOR
300
15
15 min
1,1
MQUINA DE COSTURA
100
10
3h
3,9
MQUINA DE FURAR
350
1h
0,35
10,8
MICROCOMPUTADOR
120
30
3h
MOEDOR DE CARNES
320
20
20 min
1,2
MULTIPROCESSADOR
420
20
1h
8,4
NEBULIZADOR
40
8h
1,6
OZONIZADOR
100
30
10 h
30,0
PANELA ELTRICA
1100
20
2h
44,0
PIPOQUEIRA
1100
10
15 min
2,75
45
30
10 h
13,5
10
30
10 h
3,0
RDIO RELGIO
30
24 h
3,6
SAUNA
5000
1h
25,0
1400
30
10 min
7,0
600
30
15 h
4,5
3500
12
1h
42,0
1000
1h
SECRETRIA ELETRNICA
20
30
24 h
14,4
SORVETEIRA
15
2h
0,1
TORNEIRA ELTRICA
3500
30
30 min
52,5
TORRADEIRA
800
30
10 min
4,0
TV EM CORES - 14"
60
30
5h
9,0
TV EM CORES - 18"
70
30
5h
10,5
TV EM CORES - 20"
90
30
5h
13,5
TV EM CORES - 29"
110
30
5h
16,5
TV EM PRETO E BRANCO
40
30
5h
6,0
TV PORTTIL
40
30
5h
6,0
VENTILADOR DE TETO
120
30
8h
28,8
VENTILADOR PEQUENO
65
30
8h
15,6
VDEOCASSETE
10
2h
0,16
VDEOGAME
15
15
4h
0,9
Tabela 8.2 Potncia eltrica mdia tpica de vrios equipamentos domsticos (Fonte: http://www.eletrobras.com/elb/procel)
112
Para exemplificar o clculo da carga eltrica diria requerida, vamos considerar o seguinte caso
de uma residncia onde os perfis de uso dirio dos eletrodomsticos so mostrados na Tabela
8.3, onde na ltima coluna aplicada a equao (8.3) para determinar o consumo mdio dirio
de cada eletrodomstico da residncia. Somando-se o consumo mdio dirio de cada eletrodomstico temos o consumo mdio da residncia, que de 14,6575 kWh.
Aparelhos Eltricos
Perodo de uso
durante o dia
Quant.
P(W)
Consumo
mdio dirio
(kWh)
APARELHO DE SOM 3 EM 1
01
09:00-12:00
80
0,2400
01
22:00-06:00
1000
8,0000
BATEDEIRA
01
11:00-11:30
120
0.0600
01
06:00-06:15 e 18:00-18:15
335
0,1675
CAFETEIRA ELTRICA
01
06:00-06:30 e 15:00-15:30
600
0,6000
CHUVEIRO ELTRICO
01
06:30-06:40 e 18:00-18:20
3500
1,7500
CIRCULADOR AR PEQUENO/MDIO
01
22:00-06:00
90
0,7200
01
19:00-22:00
180
0,5400
01
15:00-16:00
1000
1,0000
FREEZER VERTICAL/HORIZONTAL
01
00:00-24:00
130
3,1200
GELADEIRA 1 PORTA
01
00:00-24:00
90
2,1600
09
19:00-24:00
11
0,4950
LAVADORA DE ROUPAS
01
09:00-10:00
500
0,5000
LIQUIDIFICADOR
01
07:00-07:15
300
0,0750
01
19:00-19:15
600
0,1500
TV EM CORES - 20"
02
11:00-13:00 e 19:00-22:00
90
0,9000
VENTILADOR DE TETO
02
12:00-14:00 e 23:00-05:00
120
1,9200
VENTILADOR PEQUENO
01
12:00-14:00 e 23:00-05:00
65
0,5200
VDEOCASSETE
02
21:00-23:00
10
0,0400
TOTAL
14,6575
113
P (W)
Ventilador
120
15
1,80
Freezer
130
1,04
Geladeira
90
30
2.70
90
11
0,99
14000
42,00
20
0,02
Ferro de Passar
1000
3,00
Liquidificador
300
0,90
Som
80
0,32
Mquina de Lavar
500
0,50
Computador
180
0,36
Microondas
1200
2,40
Estufa
200
0,20
Batedeira
120
0,12
40
40
Equipamento
Serra eltrica
DVD
1,60
57,95
1 PTOTAL = N x P/1000
Tabela 8.4 Equipamentos almejados pela comunidade (Demanda Reprimida).
Observa-se da Tabela 8.4 que as aspiraes mais significativas no que refere ao consumo de
energia eltrica, sejam pela quantidade de famlias que as almejam ou pela prpria necessidade e
caracterstica de utilizao desses equipamentos, correspondem aos cinco primeiros itens da tabela
(ventiladores, freezers, refrigeradores, televisores e serras eltricas). Com base principalmente
nesses cinco equipamentos e, tambm, na carga j existente, o cenrio para obteno da curva de
carga pode ser elaborado, tal como apresentado a seguir. importante mencionar que, para criao
dos cenrios, considerou-se tambm um sistema de iluminao pblica constitudo de 40 pontos
de luz, sendo que cada um deles possui uma potncia de 40 watts, como consta na Tabela 8.4.
1 Ptotal = N P/1000.
114
115
Figura 8.4 Curva de carga representativa da comunidade tomada como exemplo, obtida para o perodo de 24 horas,
segundo o Cenrio de Consumo de Energia Eltrica.
equao 8.5
A potncia mdia diria demandada calculada com a somatria das potncias mximas de cada
hora e dividida por 24 horas
124Pmxima da hora
Pmdia demandada =
24
equao 8.6
A figura 8.5 apresenta o comportamento hipottico de uma determinada demanda diria. Note
que a demanda mxima bem superior mdia, resultando em um fator de carga de 0,62.
Quanto menor for o fator de carga, maior o custo da gerao. Considerando-se o cenrio da
figura 8.4, onde se tem para as potncias mxima e mdia os valores de 52,45 kW e 27,89 kW,
respectivamente, observa-se um valor para o fator de carga de 0,532, sinalizando que o sistema
ter um alto custo para atender esse perfil de demanda.
116
Assim, uma forma de diminuir o custo do sistema alternativo de gerao de energia administrar
o fator de carga, ou seja, gerenciar o uso dos equipamentos de forma que a curva de carga tornese mais plana (fator de carga prximo a 1). Para que esta gesto seja possvel, a administrao
dos equipamentos deve ser feita pelos prprios moradores da comunidade que, depois de serem
submetidos a um trabalho de conscientizao do uso racional da energia eltrica disponvel,
determinam os equipamentos que podem ser desligados e administrados, assumindo o controle
e garantindo uma curva de carga mais plana.
117
alternativa de local potencial para a implantao da central dever ser avaliada para determinar
qual a localidade economicamente vivel. A escolha da localidade envolve um grande nmero
de variveis, atravs das quais possvel analisar a importncia e a contribuio de cada uma.
Algumas das variveis que contribuem na tarefa de avaliar o potencial do local para a instalao
de uma central e que esto envolvidas no processo da tomada de deciso so:
Informao do solo;
Drenagem do local;
Dados do vento;
Informao sobre Zona Ssmica.
As vias de transporte como estradas, vias frreas, estaleiros ou portos, so tambm fatores que
devem ser avaliados quanto disponibilidade dos mesmos. A falta de meios de transporte pode
118
elevar os custos da central ou mesmo inviabilizar a operao da mesma. Outro fator o clima
do local, o qual determinar o tipo de arquitetura do prdio que abrigar os equipamentos e
escritrios. O projeto estrutural dos prdios deve tambm ser avaliado levando em considerao
as fundaes e preparao do piso para que possam receber equipamentos pesados e geradores de
vibraes. As fundaes devem ser projetadas para suportar com segurana todas as estruturas,
considerando o tipo de fundao e presses possveis.
A Tabela 8.5 a seguir apresenta os comentrios, de forma resumida, de algumas das variveis
j citadas anteriormente, que devem ser avaliadas para a determinao da localizao de uma
central trmica ou a vapor.
Variveis a serem
avaliadas
Comentrios
Clima
Tempertura
Tipos de solo.
Topografia
Afeta o carregamento
estrutural da construo.
Afeta na arquitetura do prdio e nveis do
piso; no manuseio de combustveis; na
armazenagem de combustveis e materiais;
e na drenagem do solo.
Determina as fundaes do prdio,
drenagem, e distribuio de dutos
subterrneos quando for o caso
Afeta os nveis do piso, altura
de bombas e fundaes.
Determina a necessidade de reforo
estrutural da construo.
Vias de acesso
Suprimento de gua
No arrefecimento e funcionamento
de equipamentos da central
trmica, e no uso domstico.
Disponibilidade de
material no local
No custo de transporte e
na reposio de peas.
Normas e Regulamentos
do local
Disponibilidade e
habilidade da
mo-de-obra
local
Variveis associadas
ao Critrio Econmico
No custo de treinamento ou
deslocamento de pessoas
qualificadas.
Nos custos de importao,
instalao, operao, manuteno,
transporte de equipamentos e
combustveis.
Afeta na viabilidade de
implantao de uma central.
119
Figura 8.6 Perfil do consumo de biomassa para suprir as necessidades de usinas de gerao de energia eltrica a vapor com
potncia na faixa de 50 a 1.000 kW.
120
kW. J as turbinas a vapor so mais versteis e so fabricadas para uma faixa bem superior de
potncia, desde 5 kW at 60MW, com seu consumo especfico operando na faixa de 4 a 20 kgvapor
para cada 1 kWh de energia gerada. Estas turbinas so projetadas para admitir presses do vapor
de entrada na faixa desde 0,8 at 6,0 MPa e presses de sada do vapor desde 10 kPa absoluto.
Com a definio do consumo especfico de vapor, fica definida a quantidade de biomassa a ser
consumida pela planta e o tamanho da caldeira. Em mdia, as caldeiras disponveis no mercado
operam com rendimento na faixa de 85%, com um consumo mdio de 1 kg de biomassa para cada
4 kg de vapor gerado. O dimensionamento dos demais perifricos da planta, ou seja, volume do
tanque de condensado e a capacidade trmica do condensador so obtidos pela quantidade e
qualidade do vapor a ser gerado por hora no ciclo termodinmico.
Portanto, para o dimensionamento da planta de gerao de energia eltrica pode ser seguida
a seguinte rotina:
a. Quantificar a demanda de energia a ser fornecida pela planta;
b. Qualificar e quantificar a biomassa disponibilizada: conhecer o pci Poder Calorfico
Inferior atravs do pcs Poder Calorfico Superior, densidade, umidade e geometria da
biomassa (ex: p, granulado, pletes, briquetes, pedaos, etc.);
c. Escolher o tipo de mquina a vapor a ser utilizada no projeto: turbina ou mquina
alternativa a vapor. Nesta escolha j se define o gerador de energia eltrica que tem
que atender as condies de tenso, corrente, freqncia e regime de funcionamento
(contnuo ou intermitente) a que estar sendo requisitado;
d. Obter do fabricante da turbina ou mquina alternativa a vapor seu consumo especfico
e suas caractersticas dimensionais;
e. Calcular a quantidade de vapor necessria para atender a demanda de energia;
f. Com a quantidade e qualidade do vapor requerida, definir o tamanho da caldeira e obter
do fabricante suas caractersticas dimensionais. Definir o tipo de fornalha em funo da
biomassa disponibilizada;
g. Identificar a quantidade de biomassa a ser disponibilizada: 1 kg de biomassa para cada 4
kg de vapor gerado;
h. Projetar o sistema de alimentao de biomassa compatvel com o sistema de
alimentao da fornalha da caldeira;
i. Projetar o silo de estocagem de combustvel em funo do consumo de biomassa da caldeira;
j. Calcular o volume do tanque de condensado: 1,5 vezes a quantidade de vapor/h
necessria no processo;
k. Dimensionar a capacidade trmica do condensador com os dados de presso e
temperatura de entrada de vapor, vazo de vapor, temperatura de sada do condensado,
vazo e temperatura da gua de refrigerao. Obter do fabricante suas caractersticas
dimensionais;
l. Realizar um levantamento de consumo de energia da planta para definir as cargas
parasitas da usina;
m. Observar as diretrizes das normas regulamentadoras do Ministrio do Trabalho e
Emprego, com nfase na NR-13 Caldeiras e Vasos de Presso e NR-10 Segurana em
Instalaes e Servios em Eletricidade.
Com estas informaes torna-se possvel o desenvolvimento do projeto bsico de engenharia para inmeros
tamanhos de plantas de gerao de energia eltrica utilizando biomassa como combustvel.
121
O uso de recursos naturais como fonte de energia destinada ao ser humano sempre resultou em
impactos ao meio ambiente. Ao mesmo tempo, no cenrio atual da nossa civilizao, indispensvel
manter o fornecimento de energia ao Homem. , portanto, fundamental aliar o uso de recursos
naturais como fonte de energia ao desenvolvimento sustentvel da sociedade.
A maioria das comunidades da Regio Amaznica no atendida pelo sistema de distribuio
de energia eltrica, e por isso, utilizam essencialmente termeltricas a diesel. No Estado do Par,
por exemplo, os sistemas isolados consomem cerca de 77 milhes de litros de diesel por ano.
A substituio de termeltricas a diesel por termeltricas a biomassa uma opo para
comunidades isoladas na Amaznia que possuam biomassa como recurso energtico. Entretanto,
alm da anlise da viabilidade econmica, importante avaliar os impactos ambientais da
implantao de sistemas a biomassa nas comunidades isoladas da Amaznia.
Este captulo faz uma abordagem sobre como avaliar os impactos ambientais, e as respectivas
aes mitigadoras, de usinas termeltricas a biomassa em substituio s termeltricas a diesel.
Inicialmente, o captulo enquadra as exigncias legais para avaliao dos impactos ambientais
de usinas termeltricas. A seguir ao enquadramento legal so abordadas algumas definies
gerais e conceituais. Aps as definies e conceitos, so apresentadas algumas metodologias
de avaliao dos impactos ambientais. Na seqncia, feita uma breve explicao das emisses
evitadas de gases de efeito estufa da utilizao de biomassa como fonte renovvel de energia.
Ao final do captulo prope-se um roteiro de avaliao de impactos ambientais de uma usina
termeltrica a biomassa, atravs de listas de impactos e possveis aes mitigadoras.
9.1 Legislao
No que se refere s termeltricas, segundo a Resoluo conama N 001 de 23 de janeiro de
1986, somente exigido estudo de impacto ambiental (eia) e respectivo relatrio de impacto
ambiental (rima) s usinas de gerao de eletricidade (qualquer que seja a fonte de energia
primria) acima de 10mw. No contexto amaznico, as comunidades isoladas nunca atingem
demandas na ordem de 10mw, e sendo assim, pequenas usinas para atender a demanda dessas
comunidades no necessitam de eia rima.
Outra resoluo conama aplicvel s termeltricas, a Resoluo N 237 de 19 de dezembro
de 1997, estabelece os critrios para licenciamento ambiental. Segundo o anexo I dessa mesma
resoluo, a atividade de produo de energia termoeltrica est sujeita ao licenciamento
ambiental. Cabe ao rgo ambiental competente (Federal, Estadual ou Municipal) emitir pelo
menos trs tipos principais de licena ambiental:
Licena Prvia (LP) concedida na fase preliminar do planejamento do empreendimento,
122
123
124
Fase do empreendimento
Ambiente
Impacto
Construo
Operao
Solo
Natural (fsico)
Ar
gua
Rudo
Fauna
Flora
Economia
Habitao
Social
Transporte
Lazer
Cultural
Tabela 9.1 Lista simples de impactos ambientais causados por uma usina termeltrica a biomassa
Listas descritivas so mais elaboradas que as listas simples, pois identificam as fontes geradoras
dos impactos, mas no especificam a importncia do impacto. Podem conter indicaes numricas
com valores ou hierarquias.
Listas comparativas estimam as magnitudes dos impactos adotando valores comparativos entre as
alternativas ao empreendimento. A comparao pode indicar a melhor alternativa, ou pode fornecer
uma boa base para a tomada de deciso. A tabela 9.2 mostra um exemplo de Lista Comparativa
para instalao de uma usina termeltrica a biomassa.
Alternativa 1
Critrio
Indicador
Limite ou
padro
Impacto
Qualidade
do ar
Partculas Totais
em suspenso
60 g/m
65 g/m
Qualidade da
gua
Temperatura
4C acima
Rudo
Nvel de rudo
Fauna
Flora
Maior que o
limite?
Alternativa 2
Impacto
Maior que o
limite?
Sim
35 g/m
No
4C acima
No
4C acima
No
35 dB
40 dB
Sim
35 dB
Sim
Populao
pssaros
10% de
reduo
5%
No
5%
No
rea desmatada
1ha
1ha
No
1ha
No
Tabela 9.2 Lista comparativa de impactos ambientais de duas alternativas para instalao de uma usina termeltrica a
biomassa.
Listas de Controle Escalar uma evoluo das Listas Comparativas adotando valores comparativos
entre os impactos ambientais, permitindo a comparao entre os impactos. Os valores, atribudos
por especialistas, podem ir de um mnimo de 0 a um mximo de 3, por exemplo, indicando os
nveis de impacto ambiental. Pode-se estabelecer valores mximos diferentes de 3 dependendo da
preciso que se deseja. A tabela 9.3 mostra um exemplo de Lista de Controle Escalar para alternativas
construo de uma usina termeltrica a biomassa.
125
Fatores
Alternativas
Custo
Impactos da
construo
Impactos da
operao
Necessidade de
treinamento
Biomassa
(Turbina a vapor)
Biomassa
(Gasificao)
Diesel+Biomassa
Diesel
Tabela 9.3 Lista de controle escalar de impactos ambientais de quatro alternativas para instalao de usina termeltrica.
Negativas
-5 -4 -3 -2 -1
Neutras
0
Positivas
12345
Peso X Nota
( ) Pesca
( ) Caa
( ) Suinocultura
( ) Explorao de Madeira
( ) Desmatamento
( ) Preservao da vegetao natural
( ) Explorao de sementes oleaginosas
( ) Atividades agrcolas
( ) Atividades comerciais
( ) Transporte
( ) Porto-Trapiche
( ) Eletricidade
( ) Outros
ndice de impacto = (peso x nota) / peso
Tabela 9.4 Lista de controle ponderveis de impactos ambientais causados por uma usina termeltrica a biomassa.
Matrizes so mtodos simples, mas de grande potencial para avaliao da interao entre os
impactos. As matrizes podem ser qualitativas ou quantitativas a exemplo das listas mostradas
acima. Nas matrizes, as aes esto associadas aos efeitos ambientais, contendo as respectivas
magnitudes e importncias (notas e pesos). As aes so apresentadas na horizontal (linhas da
matriz) e os efeitos na vertical (colunas da matriz). O modelo de matriz mais conhecido e utilizado
em avaliao de impactos ambientais se chama Matriz de Leopold. Na Matriz de Leopold as clulas
so divididas na diagonal como mostra a Tabela 9.5. A magnitude do impacto est localizada na
126
parte superior esquerda da clula e a importncia na parte inferior direita da clula. A magnitude
representada por valores de -10 a 10, onde o sinal (+) ou (-) significa impacto positivo ou negativo,
respectivamente. A importncia representada por valores entre 1 e 10.
B
A
1
3
6
2
3
6
2
A tabela 9.6 mostra uma Matriz de Leopold elaborada para a instalao de uma usina termeltrica
a biomassa.
Aes do projeto
Uso do solo e construes
Modificao do ambiente
Habitat
Piso
Vias e
porto
Postes e
cabos
Barreiras
(muros)
Explorao de recursos
Alterao do solo
Solo
Madeira (areia, etc.)
Drenagem
Transporte
Aterros
Navio Barco Lancha sanitrios
Disposio
de resduos
Total
Fossas
Material de construo
Solo
Rio
Qualidade da gua
Fsico e
Qumico
Qualidade do ar
Clima
Temperatura
Alagamentos
Precipitao
Compactao e assoreamento
Plantas aquticas
Biolgico
Fator
Ambiental
Pssaros
Animais
Microfauna
Residencial
Comercial
Industrial
Recreao
Espaos abertos
Paisagens
Cultura
ScioEconmico Sade e segurana
Emprego
Densidade populacional
Infra-estruturas
Transporte
Logstica de bens
Disposio de resduos
Tabela 9.6 Matriz de Leopold elaborada para a instalao de uma usina termeltrica a biomassa.
127
satlite, combinadas com superposio de imagens no computador. Esse mtodo permite analisar
a evoluo espacial dos impactos, bem como perceber os limites e fronteiras de influncia entre
as aes e efeitos ambientais. A seguir, a figura 9.1 mostra um exemplo de superposio de mapas
de um estudo de potencial energtico a partir de biomassa no Estado do Par.
Os modelos so utilizados para prever os impactos ambientais, e assim simular vrios cenrios com as opes e alternativas dos empreendimentos. Dentre os modelos de simulao mais
utilizados, podemos citar:
Figura 9.1 Exemplo Overlay Mapping aplicado ao levantamento do potencial energtico de resduos de biomassa no Estado
do Par.
128
Impacto
Desmatamento da rea da usina, com
aumento do nvel de insolao local e perda
de alguns habitats
Tabela 9.7 Relao entre impactos ao ambiente natural e possveis aes mitigadoras durante a construo da usina.
129
Medida Mitigadora
Tabela 9.8 Relao entre Impactos ao ambiente social e possveis aes mitigadoras durante a construo da usina.
Medida Mitigadora
Tabela 9.9 Relao entre impactos ao ambiente natural e possveis aes mitigadoras durante a operao da usina.
130
Medida Mitigadora
Independncia de combustvel
para gerao de energia.
Tabela 9.10 Relao entre impactos ao ambiente social e possveis aes mitigadoras durante a operao da usina.
Figura 9.2 Esquema de uma usina termeltrica a biomassa tpica e o impacto ambiental dos principais elementos
constituintes da usina.
131
132
133
10 Viabilidade Econmica
Jorge de Arajo Ichihara e Andr Montenegro Duarte
134
derivada (como $/kW ou $/kWh), pois so unidades que podem, se bem trabalhadas e equalizadas,
aglutinar as mais diversas variveis e os mais distintos componentes inerentes ao projeto,
como custos de aquisio de mquinas e equipamentos, vida til e depreciaes, tarifas, custos
ambientais, receitas de intangveis, riscos, externalidades, entre outros.
Os conceitos e as ferramentas da disciplina ou matria chamada Engenharia Econmica
so os fundamentos e os instrumentos que permitem proceder tal anlise, isto , no tocante
sustentabilidade e na definio dos valores ou grandezas que ensejam a situao ou condio
de viabilidade econmica.
Viabilidade Econmica
135
Diferentes anlises /
mtodos
Diferentes Cenrios
A Anlise e a mensurao fornecem, definem ou calculam valores e/ou indicadores que subsidiam
os tomadores de deciso, para que possam concluir e decidir apoiados e embasados, principalmente
por critrios quantitativos, lgicos e racionais.
A Engenharia Econmica algo que
subsidia a tomada de decises:
Critrios Financeiros
Liquidez/
Segurana
Critrios Econmicos
Rentabilidade
Critrios Imponderveis
Pessoais/ afetivos/ Militares/
Ideolgicos/ Polticos/
Humanitrios (sociais)/
Culturais...
Alternativas
Distintos Mtodos e/ou
136
10.2 Os Mtodos
A Engenharia Econmica possui, em seu escopo conceitual, vrios mtodos para se proceder a
anlise e definir valores e/ou indicadores. Embora no seja consensual, a seguir ser apresentada
Viabilidade Econmica
137
uma diviso em trs grandes grupos que englobam os principais mtodos existentes na literatura,
os quais podem ser adotados de maneira isolada (no recomendvel por ser muito restritiva)
ou de forma conjunta ou integrada, obtendo-se resultados advindos de dois ou mais mtodos
simultaneamente.
138
Viabilidade Econmica
139
conseguiu generalizar a aplicao da teoria, que passou, desde ento, a ser utilizada em inmeros
campos do conhecimento, como as Cincias Econmicas, a Biologia e mesmo a Anlise de
Investimentos.
Desta Teoria, foram desenvolvidos ou mesmo derivados vrios mtodos (ou sub-mtodos),
tais como o de Laplace, MaxMin, MaxMax, de Hurwicz e de Savage, que no sero detalhados
neste texto.
Simulao de Monte-Carlo
O Mtodo de Monte-Carlo , basicamente, uma tcnica ou um algoritmo para estabelecer
uma amostragem de nmeros aleatrios ou pseudo-aleatrios, e, desta amostragem, efetuar
tratamentos estatsticos utilizando-se de princpios bayesianos ou estocsticos que simularo
as respostas e os graus de probabilidades de suas ocorrncias.
Sua origem remonta a dcada de 1930, com os trabalhos do fsico italiano Enrico Fermi, sobre
as propriedades atmicas. Atravs de pesquisas desenvolvidas por diversos matemticos e
fsicos, logo foi se consolidando como uma tcnica muito til em estudo de fenmenos naturais
ou eventos repetitivos que ocorrem de maneira randmica, de forma similar ao que acontece
em um cassino de jogos, como os existentes no famoso Principado de Monte-Carlo, na Europa,
donde surgiu sua denominao.
Tendo em vista que o uso deste mtodo requer um grande nmero de clculos e a gerao de
muitos nmeros aleatrios, seu desenvolvimento no comeo foi muito restrito, tendo, porm,
tido um grande avano a partir da dcada de 1950, com o surgimento dos computadores.
Na Engenharia econmica este mtodo se aplica muito bem avaliao de alguns tipos de
empresas e de projetos de investimentos corporativos.
De uma maneira roteirizada, podem ser estabelecidas quatro fases para se adotar este mtodo
para anlise de viabilidade econmica.
a) Para cada varivel de entrada (componente ou parmetro, como por exemplo, o custo
de manuteno de equipamento ou as receitas decorrentes da venda do excedente de
energia), ou ao menos para as que se mostrarem mais significativas ou importantes,
pela anlise de sensibilidade, deve-se estimar o intervalo de variao possvel ou
previsvel e, realizada a estimativa, se estabelecer uma distribuio de freqncia
correspondente e transform-la em uma distribuio de probabilidades acumuladas;
b) Deve-se gerar valores ou grandezas de maneira aleatria ou randmica e calcular,
considerando a probabilidade j estabelecida na fase (a) para esta grandeza gerada
aleatoriamente, os indicadores ou valores (vpl, Payback, etc.);
c) Promover repetidas vezes a fase (b) para que se possa obter uma distribuio de
probabilidades das Respostas, sejam vpls, Paybacks, etc.
d) Realizar estatsticas das respostas, visualizando-se graficamente a distribuio obtida
na fase (c) e calculando grandezas como a mdia e o desvio padro das respostas
(indicadores e/ou valores).
Monte-Carlo, assim com a Teoria dos Jogos, requer uma base de dados considervel, uma srie
de conceitos sobre nmeros aleatrios e o uso de distintos aplicativos computacionais. No ser
detalhado neste texto.
140
rvores de Deciso
Utiliza-se de modelos (fluxos de caixa) cuja representao grfica diferente da tradicional, pois no
mesmo modelo representa no s a seqncia dos eventos de um determinado empreendimento,
mas tambm as alternativas de realizao de outros projetos excludentes entre si, mediante a
avaliao de cada um destes simultaneamente atravs do clculo dos distintos vpls em momentos
ou tempos tambm diferentes. Pode ser entendido, de maneira bem simples, como um modelo
cuja representao grfica possibilita um estudo sistemtico e racional de vrias alternativas
excludentes simultaneamente.
As rvores de Deciso contm dois elementos fundamentais: os ns ou vrtices e os ramos
ou arcos. Os ramos normalmente so representados por setas e utilizados para unir os ns. Os
ns podem ser de dois tipos:
Ns de Deciso: geralmente representados por uma figura geomtrica do tipo quadrado
ou retngulo representando os pontos em que deve haver uma eleio por parte do analista
ou mesmo do tomador de deciso sobre as distintas possibilidades possveis ou previsveis.
Representam, fundamentalmente, as diferentes alternativas excludentes, e destes ns devem
sair tantos ramos quantas alternativas existirem.
Ns aleatrios: geralmente representados por uma figura geomtrica do tipo circular ou ovular ou
ainda elptica representando os pontos em so possveis diversas situaes ou estados de natureza
econmica, tecnolgica, financeira, ambiental, etc. Deve haver uma viso por parte do analista/
decisor sobre os distintos ambientes possveis ou previsveis. Representam, fundamentalmente,
os diferentes cenrios, e destes ns devem sair tantos ramos quantos cenrios existirem.
Uma ilustrao do mtodo pode ser visualizada a seguir:
Momento Inicial
Ano Zero
Ano Um
Outros Anos
ento
m
Cresci
Retrao
aA
tiv
a
rn
e
Alt
to
men
ci
Cres
Alt
e
rna
tiv
aB
Retr
ao
nto
me
sc
Cre
Retra
Viabilidade Econmica
141
142
Viabilidade Econmica
143
D
epreciao por obsolescncia tecnolgica e/ou Funcional (dos equipamentos,
mquinas e edificaes);
Manuteno;
Segurana;
Administrao (servios de terceiros como contador, material de consumo, de
informtica, etc);
Seguros.
Variveis
E
ventuais compras ou pagamentos pela energia da concessionria, em caso de
manuteno da planta;
Aquisio e/ou Armazenagem de Combustveis (no caso biomassa);
Lubrificantes e outros insumos de produo;
Depreciao Fsica decorrente de desgaste pelo uso;
Impostos;
Despesas eventuais (quebras e/ou reparos, etc).
De Certificaes, Consultorias e Auditorias
Neste estgio, pode-se dividir estes custos em dois grandes grupos:
a) Necessrios para estudo, definio, implantao e acompanhamento de processo de
reduo certificada de emisses no mbito do mdl (Mecanismo de Desenvolvimento
Limpo) para comercializao de crditos de carbono e/ou outros mecanismos
financeiros a serem implantados no contexto de mitigao do aquecimento global,
sejam no mbito nacional ou internacional.
b) Necessrios para estudo, definio, implantao e acompanhamento de processo para
se credenciar ao recebimento dos benefcios da sub-rogao da ccc (Conta de Consumo
de Combustveis Fsseis) junto a aneel e/ou outros mecanismos financeiros a serem
implantados pelo Governo Brasileiro ou Agncia de Energia em relao substituio
dos combustveis fsseis por fontes alternativas.
144
No Operacionais:
V
endas ou comercializao de crditos de carbono nos mercados formais advindos do
Protocolo de Quioto Por sua relevncia no contexto ambiental, atualidade e significncia
para a viabilizao de empreendimentos desta natureza, ser detalhado no item 10.6.
Recebimento da sub-rogao da ccc pela aneel.
10.4 Anlise
A anlise econmica inicia-se com a definio do modelo adequado ao problema em estudo. Este
modelo pode ser entendido como o fluxo de caixa onde se estabelece o horizonte do projeto ou
empreendimento (tempo de execuo ou operao), e, dentro deste espao temporal so alocados
os eventos ou fatos com seus respectivos custos e os benefcios, anteriormente citados.
Logo, o modelo, isto , o fluxo de caixa, possibilita a caracterizao e definio dos trs
elementos bsicos trabalhados pela engenharia econmica: os eventos (fatos), os recursos
(valores) e o tempo (perodos).
Graficamente, pode ser representado da seguinte maneira.
500
450
550
600
400
entradas
sadas
150
155
1000
160
165
(banefcios ou receitas)
(custos ou investimentos)
170
Perodos de tempo
Locao dos valores do fluxo de caixa no espao temporal do projeto. Valores 1000
O modelo a base, o ponto de partida para o estudo, anlise e avaliao por qualquer mtodo
a ser adotado.
Viabilidade Econmica
145
prazo tm menos de um ano, os de mdio entre um a cinco anos e os de longo mais de cinco anos.
Obras e intervenes de engenharia usualmente tm prazos longos pois, via de regra, requerem
grandes investimentos e demandam um tempo considervel de maturao e operao.
A definio precisa do horizonte do projeto no tarefa fcil, pois durante o perodo projetado
para operao do empreendimento h muita heterogeneidade e mesmo incertezas no tocante a
vrios componentes ou parmetros, como as distintas vidas teis de mquinas e equipamentos,
os avanos e inovaes de ordem tecnolgica e o conseqente obsoletismo, as caractersticas
setoriais e as mudanas no comportamento do mercado, entre outros fatores.
Desta forma, geralmente o horizonte do projeto definido de maneira emprica, at arbitrria, porm
com base na experincia do analista e considerando, principalmente, o tipo de empreendimento.
Investimentos de grande vulto ou porte, como usinas de gerao de energia, siderrgicas, indstrias
de base em geral, se esperam retornos a longo prazo, logo tm horizontes maiores.
Para projetos como o objeto deste estudo, tendo em vista seu porte, suas caractersticas
tecnolgicas, e mesmo a vida til dos principais equipamentos, pode-se definir, com alto grau
de acerto, um horizonte entre 20 e 30 anos.
146
Onde:
VF = Valor Futuro, VP = Valor Atual ou Presente, J = juro, i = taxa de juros (ou de interesse),
N= nmero de perodos ou dos perodos (ou tempos).
Compostos: quando capitalizados, ou seja, os juros so incidentes sobre o capital inicial de
cada perodo em que so calculados, e, a partir de ento, so incorporados e passam a integrar
o capital, isto , a remunerao cumulativa e no se produz exclusivamente sobre o valor
monetrio ($) do incio do empreendimento, projeto ou negcio.
VF
VF = VP . (1 + i)N ou ainda VP =
= VF . (1 + i)-N
(1 + i)N
1 Perodo VF1 = VP + VP . i = VP . (1 + i)
2 Perodo VF2 = VF1 + VF1 . i = VF1 . (1 + i) = VP . (1 + i) . (1 + i) = VP . (1 + i)2
3 Perodo VF3 = VF2 + VF2 . i = VF2 . (1 + i) = VP . (1 + i)2 . (1 + i) = VP . (1 + i)3
Considerando o exemplo j citado, os juros calculados para um perodo de cinco anos podem
ser vistos na tabela e no grfico seguintes:
Valor Futuro
calculado com
juros Compostos
100.00
100.00
118.00
118.00
136.000
139.240
154.000
164.303
172.000
193.878
190.000
228.776
Ano
Valor Futuro
calculado com
juros Simples
250.000
200.000
150.000
100.000
50.000
1
Tempo
Viabilidade Econmica
147
financeira (que so os juros no estrito senso), do custo de oportunidade, das incertezas e, quando
cabvel, da inflao.
axa de Desconto = Remunerao do Capital (juros) + Custo de oportunidade + Incertezas
T
(incluindo os riscos) + Inflao.
Sua quantificao, a qual exige muita cautela e estudo, varia conforme as condies macro e
microeconmicas e passvel de uma srie de incertezas e oscilaes. Se mal realizada produzir
resultados inconsistentes, absolutamente dissociados da realidade, o que acarretar em uma
anlise totalmente equivocada.
De maneira sinttica pode-se estabelecer os seguintes procedimentos bsicos para a definio
quantitativa da taxa de desconto:
a) Remunerao
do Capital (juros): , em princpio, o preo que se paga pelo dinheiro,
ou pelo acesso ao dinheiro. Na sua essncia, (so) o(s) juro(s) propriamente dito(s).
Sua grandeza bastante elstica, pois decorre ou deriva de inmeras variveis e
condicionantes. Geralmente, para efeito de estudos, adota-se a remunerao ou o
rendimento definido pelas autoridades financeiras nacionais, que no caso do Brasil o
Banco Central, ou ainda valores mdios do sistema financeiro, podendo-se adotar a tbf
(Taxa Bsica de Financiamento), a selic (Sistema Especial de Liquidao e Custdia
copom) e, quando o horizonte for longo, a tjlp (Taxa de Juros de Longo Prazo).
b) Custo de Oportunidade: Considera a possibilidade de se obter um ganho, rendimento,
receita ou benefcio financeiro em outro investimento ou empreendimento que no o
estudado. Usualmente trabalha-se ou estuda-se em relao uma aplicao financeira
sem quaisquer riscos ou incertezas, isto , com absoluta garantia e segurana. Neste
caso, adota-se a remunerao da caderneta de poupana, que um investimento
garantido pelo poder pblico, e, em tese, sem qualquer possibilidade de risco.
c) Incertezas: So possveis oscilaes aleatrias nos resultados esperados, quantificveis
ou no. Alguns autores consideram que esta quantificao, quando puder ser realizada,
deva ser feita por processos estocsticos ou por outros mtodos numricos, como
Monte Carlo, Inteligncia Artificial, etc. Quando as incertezas so medidas ou ao menos
inferidas de maneira fundamentada, so definidas como Riscos. Logo, Risco a parte da
Incerteza que pode ser quantificada.
As incertezas so muitas, e os riscos tambm. Existem riscos conjuntural, financeiro, de
mercado setorial, de operao, entre outros e suas mensuraes mais precisas requereriam
um captulo especfico. A literatura no consensual quanto mensurao nem quanto esta
distino to rigorosa entre as incertezas no medidas e os riscos, que so as incertezas
mensuradas ou mensurveis.
Alm do que, as incertezas no medidas (por probabilidades ou de outras formas) podem ter
maior relevncia e influncia nos empreendimentos do que os prprios riscos, como anteriormente
conceituados.
Logo, necessrio, na maioria das vezes, a adoo de critrios subjetivos (ou no to
objetivos), baseados na experincia, conhecimento e mesmo na intuio do engenheiro,
analista e/ou do tomador de decises para quantificao dos riscos, e mesmo na considerao
das incertezas.
148
ALTO
MDIO
BAIXO
0,17
2,00
0,40
5,00
0,65
8,00
1,9
25,00
% a.m.
% a.a.
Taxa de Risco
Nvel Baixo
Intervalo (% a.m.)
0,17 a 0,40
Intervalo (% a.a.)
2,00 a 5,00
Nvel Mdio
0,40 a 0,65
5,00 a 8,00
Nvel Alto
0,65 a 1,90
8,00 a 25,00
Rentabilidade
15
Prmio por risco
10
Prmio por risco
Taxa de
Rentabilidade
livre de risco
5
1
1,2
Risco
(Coeficiente de Variao)
Fonte: Marco e Moya (1998).
Viabilidade Econmica
149
Uma considerao importante sobre as diferenas entre taxas nominal, efetiva e real.
Taxa efetiva: taxa real, que considera juros compostos referidos ao perodo de capitalizao.
Taxa nominal: taxa virtual, associada a juros simples, sem ser, geralmente, referida a
um prazo diferente do perodo de capitalizao. Quando embutido o efeito da inflao,
denomina-se taxa nominal cheia.
Taxa Equivalente: taxa de juros capitalizados em perodos diferentes, cuja aplicao gera
resultados financeiros idnticos.
Relaes de Equivalncia entre as taxas:
(1 + id) . 360 = (1 + im) . 12 = (1 + ib) . 6 = (1 + it) . 4 = (1 + is) . 2 = (1 + ia)
Id: taxa diria, im = taxa mensal, ib = taxa bimestral, it = taxa trimestral, is = taxa semestral, ia=
taxa anual.
Por exemplo, na figura acima, a Remunerao do Capital (juros), que pode ser admitida como
a tjlp, est expressa em 6,50 % a.a. (seis e meio por cento ao ano), enquanto a Poupana, que
pode ser considerada como o Custo de Oportunidade, est quantificada em nmeros que flutuam
em torno de 0,644% a.m. (seiscentos e quarenta e quatro milsimos por cento ao ms).
Se o modelo se pautar em um fluxo de caixa com periodicidade anual, a Taxa de Desconto ser:
150
10.4.3 Cenarizao
o estabelecimento ou a definio de um ou mais cenrios, entendendo-se por cenrio um
conjunto de premissas ou hipteses a respeito do comportamento do empreendimento ou projeto.
O cenrio o ambiente em que se desenvolver o projeto, nas condies em que ocorrer. Deve
ser razovel, plausvel, compatvel com a realidade, embora hipottico, pois no h como se
antever, predizer ou determinar o futuro, mas com reais possibilidades de ocorrer.
Os Cenrios podem ser construdos, estabelecidos ou definidos com variaes nos diferentes
componentes do projeto, como os inerentes ao empreendimento em si, de natureza endgena
(mecanismos operacionais, falhas, insumos, inovaes tecnolgicas, mo-de-obra, etc.) e os
que independem do empreendimento, ou seja, os exgenos (condies macroeconmicas como
inflao e recesso e microeconmicas como preos de mercado e concorrncia), mas que tm
grande repercusso no projeto.
No h uma receita ou um meio nico para a construo dos cenrios. Pode-se basear em
mecanismos muito simples ou mesmo arbitrrios, com o estabelecimento apriorstico das
premissas plausveis ou factveis, ou ento se utilizar de mtodos cientficos mais refinados.
Michel Godet, professor francs, um dos maiores expoentes nesta rea do conhecimento,
tendo enorme contribuio no ensino de construo de cenrios. Seus trabalhos podero ser
uma profcua fonte, caso haja necessidade de um aprofundamento do tema.
Como princpio geral, um maior nmero de cenrios construdos possibilitar uma melhor
anlise, um trabalho mais rico e com maiores probabilidades de correo.
Neste livro sero estabelecidos trs cenrios, de maneira apriorstica, que sero:
Viabilidade Econmica
151
a) pessimista;
b) neutro;
c) otimista.
Estes trs cenrios (ou ambientes) ensejaro uma amplitude ou variabilidade de resultados,
que podem ser entendidos, mesmo que de maneira incipiente, como o pior, o intermedirio
e o melhor, dentre os todos possveis de serem alcanados pelo projeto em estudo, o que
certamente no uma verdade absoluta, mas que auxiliar o analista e/ou o tomador de deciso
para um entendimento racional e lgico.
Com o intuito de simplificao, sero construdos tomando como base apenas a mudana da taxa
de desconto, mudana esta decorrente dos diferentes graus de riscos e incertezas admitidos.
Cenrio Pessimista:
Taxa de desconto das Entradas: com o risco mximo dentro da faixa adotada;
Taxa de desconto das Sadas: sem risco.
Cenrio Neutro:
Taxa de desconto das Entradas: com o risco mdio dentro da faixa adotada;
Taxa de desconto das Sadas: sem risco.
Cenrio Otimista:
Taxa de desconto das Entradas: com o risco mnimo dentro da faixa adotada;
Taxa de desconto das Sadas: sem risco.
Quando se trabalhar com os saldos lquidos, ou seja, quando os valores do fluxo de caixa forem
as diferenas entre as Entradas e as Sadas, a taxa de desconto adotada ser a cheia, incluindo o
risco, para cada cenrio. Isto, embora seja uma simplificao, mantm o rigor tcnico-cientfico
no tratamento e permite a obteno de resultados confiveis.
Este um princpio um tanto conservador, trabalhando pela segurana na resposta, o que
requer que o engenheiro e/ou analista tenha conscincia de que, em grande parte, subestima tanto
o resultado quanto a rentabilidade e minimiza a indicao de viabilidade do empreendimento.
152
vpl: o Valor Presente Lquido, em unidade monetria ($), tem que ser positivo, e no somente
isto, deve estar acima de uma grandeza razovel para que remunere o risco e o trabalho do investidor, ou seja, tem um piso ou patamar mnimo, que pode ser estabelecido como um percentual
do investimento inicial.
tir: a Taxa Interna de Retorno tem que ter uma grandeza maior do que a tma (Taxa Mnima
de Atratividade), que seria uma expectativa mnima, expressa no em ($), como na vpl, mas sim
em percentual. A grandeza da tma bastante elstica e depende de muitos fatores. No contexto
econmico atual, ela est, na maioria dos setores e empreendimentos, flutuando prxima a 18%
ao ano.
A anlise pode e deve prosseguir, trabalhando-se com valores pesquisados ou estimados,
calculado o vpl, e procedendo-se os seguintes clculos:
vpl kW = R$/kW definir o resultado por capacidade instalada, que dever ser comparado
a uma grandeza para referncia sobre a viabilidade, caso a caso.
vpl kWh = R$/kWh definir o resultado em preo da energia gerada, que dever ser comparado tarifa praticada pela concessionria ou a preos de mercado de venda de energia para
referncia sobre a viabilidade, caso a caso. Pode-se ainda, dependendo do resultado, arbitrar ou
definir a que nvel ou grau pode flutuar ou modificar este preo, chegando a um preo mnimo que
pode ser vendida a energia excedente, para se tornar mais competitiva no mercado, mas mantendo
ainda a viabilidade do empreendimento, ou seja, ainda conseguindo um vpl positivo.
10.5 Exemplos
10.5.1 Hipottico (simplificado)
Como consolidao do que foi exposto at o momento, ainda que de carter introdutrio,
ser apresentado, na tabela abaixo, um exemplo numrico para entendimento e exerccio dos
mtodos propostos dentro dos cenrios estabelecidos para a definio de indicadores e valores
que subsidiem quanto anlise de viabilidade:
Viabilidade Econmica
153
Perodo (ano)
Entradas
(vf)
Sadas
(vf)
Saldo
(vfl)
Saldo
Acumulado
(No
descontado)
0
1
2
3
4
400.000
450.000
500.000
550.000
1.000.000
150.000
155.000
160.000
165.000
(1.000.000)
250.000
295.000
340.000
385.000
(1.000.000)
(750.000)
(455.000)
(115.000)
270.000
(1.000.000,00)
211.864,41
211.864,41
206.934,50
198.578,72
(1.000.000,00)
(788.135,59)
(576.271,19)
(369.336,69)
(170.757,97)
600.000
170.000
430.000
700.000
187.956,96
17.198,99
700.000
17.198,99
vp
(vfl/(1+i)n)
Saldo Acumulado
vpl
Tabela 10.1 Entradas e Sadas de Recursos Financeiros ao Longo do Projeto Cenrio Neutro
Perodo (ano)
Entradas
(vf)
Sadas
(vf)
Saldo
(vfl)
Saldo
Acumulado
(No
descontado)
vp
(vfl/(1+i)n)
Saldo Acumulado
vpl
1.000.000
(1.000.000)
(1.000.000)
(1.000.000,00)
(1.000.000,00)
400.000
150.000
250.000
(750.000)
209.205,02
(790.794,98)
450.000
155.000
295.000
(455.000)
206.579,02
(584.215,96)
3
4
5
500.000
550.000
600.000
160.000
165.000
170.000
340.000
385.000
430.000
(115.000)
270.000
700.000
199.239,39
188.794,40
176.452,95
(384.976,57)
(196.182,17)
(19.729,22)
700.000
(19.729,22)
Tabela 10.2 Entradas e Sadas de Recursos Financeiros ao Longo do Projeto Cenrio Pessimista
Perodo (ano)
Entradas
(vf)
Sadas
(vf)
Saldo
(vfl)
Saldo
Acumulado
(No
descontado)
vp
(vfl/(1+i)n)
Saldo Acumulado
vpl
1.000.000
(1.000.000)
(1.000.000)
(1.000.000,00)
(1.000.000,00)
400.000
150.000
250.000
(750.000)
214.592,27
(785.407,73)
2
3
4
450.000
500.000
550.000
155.000
160.000
165.000
295.000
340.000
385.000
(455.000)
(115.000)
270.000
217.355,27
215.031,03
209.005,17
(568.052,46)
(353.021,43)
(144.016,26)
600.000
170.000
430.000
700.000
200.372,83
56.356,57
700.000
56.356,57
Tabela 10.3 Entradas e Sadas de Recursos Financeiros ao Longo do Projeto Cenrio Otimista
Taxa de Desconto Adotada (anual): 16,50%
154
Observao: nesta operao, trabalhar com o valor do saldo negativo em mdulo. Os saldos
constituem-se nos acumulados (vpl), ou seja, da ltima coluna.
Exemplificando atravs dos dados da tabela 1 Cenrio Neutro:
115.000,00
Payback Simples = 3 + = 3 + 0,30 = 3,30 anos,
(270.000,00 + 115.000,00)
ou ainda 3 anos, 3 meses e 18 dias.
170.755,97
Payback Descontado = 4 + = 4 + 0,91 = 4,91 anos,
(17.198,99 + 170.755,97)
ou ainda 4 anos, 10 meses e 28 dias.
Exemplificando atravs dos dados da tabela 2 Cenrio Pessimista:
Como no h valores positivos, no h payback.
Exemplificando atravs dos dados da tabela 3 Cenrio Otimista:
115.000,00
Payback Simples = 3 + = 3 + 0,30 = 3,30 anos,
(270.000,00 + 115.000,00)
ou ainda 3 anos, 3 meses e 18 dias.
144.016,26
Payback Descontado = 4 + = 4 + 0,72 = 4,72 anos,
(56.356,57 + 144.016,26)
ou ainda 4 anos, 8 meses e 19 dias.
Clculo do VPL:
VFj
VP =
(1 + i)j
VFL
VPL = n1 j
(1 + i)
Onde:
vp Valor presente;
vpl Valor presente lquido;
n nmero total de perodos horizonte do projeto;
vf Valor futuro;
vfl Valor futuro lquido = Saldo = vf entrada vf sada;
j Perodo em que ocorre o valor;
i Taxa de desconto.
Viabilidade Econmica
155
(21)
156
Payback
0,00
0
VPL's (R$)
(200.000,00)
Payback
(400.000,00)
(600.000,00)
(800.000,00)
(1.000.000,00)
Tempo (anos)
Pessimista
Neutro
Otimista
Visualizao da TIR
120.000
100.000
80.000
VPL (R$)
60.000
40.000
20.000
0
(20.000)
(40.000)
TIR
(60.000)
(80.000)
0,0%
5,0%
10,0%
15,0%
20,0%
25,0%
Taxa de Desconto
Viabilidade Econmica
157
Custos Variveis: R$ 533.000 no primeiro ano, formando um gradiente com taxa de + 1% a.a.
Custos de Acompanhamento: R$ 30.000/ano
Entradas:
Venda de Energia: R$ 0,30 kWh
Comercializao de Crditos de Carbono: R$ 30,00/Ton CO2 500 ton CO2/ano
Recebimento da sub-rogao da ccc: R$ 879.750/ano (nos primeiros quatro anos)
Construram-se seis cenrios:
a) Neutro com as condies de mudanas climticas no potencializadas e,
conseqentemente, no valorizao dos crditos de carbono;
b) Neutro com as condies de mudanas climticas medianamente potencializadas e,
conseqentemente, valorizao dos crditos de carbono em 15% a.a.;
c) Pessimista com as condies de mudanas climticas no potencializadas e,
conseqentemente, no valorizao dos crditos de carbono;
d) Pessimista com as condies de mudanas climticas medianamente potencializadas e,
conseqentemente, valorizao dos crditos de carbono em 15% a.a.;
e) Otimista com as condies de mudanas climticas no potencializadas e,
conseqentemente, no valorizao dos crditos de carbono;
f) Otimista com as condies de mudanas climticas medianamente potencializadas e,
conseqentemente, valorizao dos crditos de carbono em 15% a.a.;
Ano
0
1
Entradas
0
2.154.750
Sadas
3.849.000
936.000
Saldo
(3.849.000)
1.218.750
vpl
(3.849.000)
1.032.839
vpl Acumulado
(3.849.000)
(2.816.161)
2
3
2.154.750
2.154.750
941.330
946.713
1.213.420
1.208.037
871.459
735.248
(1.944.702)
(1.209.453)
2.154.750
952.150
1.202.600
620.287
(589.166)
5
6
7
1.275.000
1.275.000
1.275.000
957.642
963.188
968.790
317.358
311.812
306.210
138.720
115.505
96.127
(450.446)
(334.941)
(238.814)
1.275.000
974.448
300.552
79.958
(158.856)
9
10
1.275.000
1.275.000
980.163
985.934
294.837
289.066
66.473
55.230
(92.383)
(37.153)
11
1.275.000
991.764
283.236
45.861
8.709
12
1.275.000
997.651
277.349
38.058
46.767
13
1.275.000
1.003.598
271.402
31.561
78.327
14
15
1.275.000
1.275.000
1.009.604
1.015.670
265.396
259.330
26.155
21.658
104.482
126.140
16
1.275.000
1.021.796
253.204
17.921
144.061
17
18
19
20
1.275.000
1.275.000
1.275.000
1.275.000
1.027.984
1.034.234
1.040.547
1.046.922
247.016
240.766
234.453
228.078
14.816
12.238
10.099
8.326
158.877
171.115
181.215
189.541
158
Ano
0
Cenrio a
(3.849.000)
Cenrio b
(3.849.000)
Cenrio c
(3.849.000)
Cenrio d
Cenrio e
Cenrio f
(3.849.000) (3.849.000) (3.849.000)
(2.816.161)
(2.816.161)
(2.829.126)
(2.829.126)
(2.802.863)
(2.802.863)
2
3
4
(1.944.702)
(1.209.453)
(589.166)
(1.943.086)
(1.204.893)
(580.576)
(1.979.407)
(1.271.499)
(681.774)
(1.977.831)
(1.267.089)
(673.533)
(1.908.818)
(1.144.802)
(491.946)
(1.907.160)
(1.140.085)
(482.987)
(450.446)
(436.945)
(551.545)
(538.693)
(344.063)
(329.868)
(334.941)
(315.820)
(444.470)
(426.409)
(219.342)
(199.080)
7
8
9
10
(238.814)
(158.856)
(92.383)
(37.153)
(213.510)
(126.927)
(53.491)
8.955
(356.478)
(284.205)
(224.876)
(176.199)
(332.757)
(254.496)
(188.952)
(133.916)
(114.210)
(25.635)
48.950
111.718
(87.185)
8.728
91.126
162.095
11
8.709
62.213
(136.288)
(87.566)
164.509
223.401
12
13
46.767
78.327
107.789
146.938
(103.583)
(76.802)
(48.401)
(15.181)
208.882
246.154
276.539
322.771
14
104.482
180.709
(54.886)
13.117
277.438
363.167
15
126.140
209.979
(36.967)
37.334
303.678
398.629
16
17
18
144.061
158.877
171.115
235.477
257.812
277.493
(22.325)
(10.372)
(623)
58.166
76.185
91.863
325.670
344.085
359.493
429.918
457.680
482.457
19
20
Rentabilidade:
181.215
189.541
4,92%
294.942
310.514
8,07%
7.321
13.789
0,36%
105.590
117.685
3,06%
372.371
383.125
9,95%
504.708
524.820
13,64%
Tabela 10.5 Resultados com os VPLs Acumulados dos seis cenrios construdos.
VPLs (R$)
(500.000)
10
12
14
16
18
20
(1.000.000)
(1.500.000)
(2.000.000)
(2.500.000)
(3.000.000)
(3.500.000)
(4.000.000)
(4.500.000)
Tempo (anos)
Cenrio a
Viabilidade Econmica
Cenrio b
Cenrio c
Cenrio d
Cenrio e
Cenrio f
159
160
Viabilidade Econmica
161
162
Viabilidade Econmica
163
11 Resultados Concretos
Gonalo Rendeiro e Sergio Elarrat Aruana Canto
164
Este projeto fez transferncia de conhecimento e tecnologia comunidade de Santo Antonio, pois
promove o aumento de produtividade agroextrativista de maneira sustentvel com agregao de
valor, beneficiando a populao ali residente e das regies limtrofes, gerando renda, empregos
diretos e indiretos, melhorando a qualidade de vida, diminuindo o passivo ambiental e alavancando
o desenvolvimento econmico da regio. O fato de o projeto garantir a oferta de energia para
a localidade, com aumento da produo agroextrativista, propicia ainda a instalao de novos
mercados de trabalho e produtos (indstria-comrcio-servios), com o conseqente aumento da
renda local. Com a implantao do projeto, e por sua localizao estratgica, est ocorrendo um
efeito multiplicador destas aes para outras comunidades do mesmo perfil scio-econmico.
A usina de gerao de energia eltrica, figura 11.4, consiste de uma caldeira flamo-tubular que
queima resduo de biomassa para gerar vapor. O vapor aciona uma turbina que move o gerador
eltrico, em ciclo termodinmico fechado.
Resultados Concretos
165
A fbrica de extrao de leo vegetal, figura 11.5, tem capacidade de esmagar 100 kg/h de polpa
de sementes de oleaginosas e composta de estufa de secagem, cozinhador a vapor, prensa,
decantador, filtro prensa e tanque de armazenamento.
A fbrica de gelo tem capacidade para produzir 10 ton/dia de gelo em escamas e a cmara frigorfica
tem um volume til de 60 m3 , operando com temperatura de at -30C. Ver figura 11.6
166
A segunda fase do projeto foi dedicada instalao dos equipamentos em cada unidade de
produo, entretanto alguns perifricos, tais como: filtros ciclnicos, tanques e estao de
tratamento de gua tiveram que ser fabricados no local, em funo da dificuldade enfrentada
no transporte de Belm at o local do projeto. A logstica de transporte e a falta de infraestrutura local foram as maiores dificuldades enfrentadas pela equipe do projeto; a maioria
dos equipamentos foi transportada em balsas e seu descarregamento realizado com guinchos
manuais sobre trilhos de ao fixados em estacas de madeira cravadas no solo. O equipamento
de maior peso e volume foi a caldeira, com 30 ton e altura de 6m, sendo necessria a instalao
de estrutura prpria para desembarque no local.
Resultados Concretos
167
As imagens a seguir mostram algumas das fases de montagem e instalao dos euipamentos
e o projeto acabado.
168
11.1.3 Operao
Atualmente, a Cooperativa Multiprodutos de Santo Antonio, cmsa conta com 14 operadores,
assim distribudos: 8 para a usina de gerao de energia eltrica, 4 para a fbrica de extrao de
leo vegetal e 2 para fbrica de gelo. Os sistemas operam cerca de 12 horas por dia, em funo
da demanda dos produtos fabricados e da demanda de produo da serraria local. Cada sistema
produtivo tem seu plano de operao e manuteno, que so periodicamente inspecionados
pela equipe do projeto. Paradas programadas para manuteno j fazem parte da rotina dos
cooperados e, quando ocorre, entra em operao um grupo gerador diesel que supre a demanda
dos consumos essenciais da ilha.
Resultados Concretos
169
170
Resultados Concretos
171
172
Quadro de ocupao
Atividades
Extrativismo/Aa- Atividade Predominante
Pessoas
10
Lavoura/Roa
(Pupunha, cupuau, piqui, turanja, abacate, banana, abacaxi, maniva, molho, aa)
10
Carvo
Pesca
3
4
Artesanato
---
3
2
Fases
Planejamento de Implantao
Procedimentos propostos
Levantamentos da biomassa disponvel.
Gerao de Banco de Dados Tecnolgicos para Aproveitamento de Resduos de Biomassa.
II
Caracterizao da Biomassa que ser usada para gasificar, para se conhecer seu potencial
energtico, ciclo produtivo, safra, produtividade.
III
IV
Resultados Concretos
173
O projeto previu que o complexo devesse funcionar de forma autnoma, totalmente operado e
mantido por uma cooperativa organizada pela comunidade. O treinamento sobre cooperativismo
est sendo promovido pelo governo do Estado.
Est previsto que a coordenao gerencial ter uma transio, passando dos rgos
governamentais para a cooperativa gradualmente. Inicialmente a gesto ser compartilhada,
acompanhada por treinamentos at que a cooperativa assuma integralmente o gerenciamento
do complexo. Este processo dever ocorrer no prazo de um ano.
11.2.3 Sustentabilidade
Temos que considerar que o apl composto por um complexo de duas unidades com funes
distintas, mas interdependentes, de tal forma que uma unidade garante a sustentabilidade da
outra. O sistema ainda no entrou em operao, dificultando anlises aprofundadas, mas possvel
traar uma anlise de sustentabilidade da usina de gasificao com base em fatores conhecidos.
Como a alimentao dos motores do ciclo diesel feita com gs de sntese pode-se considerar
como um sistema bi-combustvel, uma vez que usa gs e uma complementao de 20% de leo
diesel. Esta configurao oferece a possibilidade de poder manter o sistema operando somente
com diesel, caso a biomassa esteja inacessvel, ou o gasificador esteja em manuteno. O aspecto
negativo manter a dependncia de combustvel fssil, mesmo que em menor quantidade do que
um sistema convencional. Por outro lado, por ser diesel, o sistema conhecido, tem facilidade de
encontrar mo-de-obra e contar com uma grande rede de servios e suprimentos. Caso a unidade
de beneficiamento funcione 8 horas por dia, pode-se prever um consumo de 19,2 litros/dia de diesel.
A obteno simples, pode ser feita na rede de distribuio comercial da sede do municpio, em
Abaetetuba, que est a 15 minutos de viagem nos barcos da comunidade. Um aspecto negativo ser
o desembolso e a dependncia.
O suprimento majoritrio de biomassa ser feito pelos caroos de aa resultantes do
despolpamento na usina de beneficiamento. Considerando que a unidade de despolpamento
est a poucos metros da usina de gasificao e no haver dispndio com transporte, o custo
total torna-se praticamente zero.
grandemente favorvel o uso de uma biomassa nativa, abundante, que faz parte da cultura
local e que sero usados os frutos rejeitados, o que por si s garante um suprimento praticamente
inesgotvel, mas deve-se atentar para a dependncia do suprimento de biomassa com a safra do aa,
que ocorre na regio entre os meses de agosto a dezembro, tornando prudente a silagem da biomassa
para enfrentar os perodos de entressafra, para gerar energia para manter a cmara frigorfica em
funcionamento. Caso ocorra a carncia de biomassa, existe a alternativa de usar outra biomassa
abundante no perodo, como os rejeitos do manejo dos aaizais, feitos nesta poca do ano.
O consumo terico de biomassa pelo gasificador de 20 kg/h, embora no seja recomendvel o
funcionamento intermitente do gasificador. Para efeito de calculo considere-se um regime de operao
de 8 horas contnuas, ento, o consumo dirio dever ser de 160 kg por jornada de trabalho.
A interdependncia das unidades faz com que a viabilidade operacional da usina de gasificao dependa
dos resultados da comercializao da polpa de aa produzida para custear a manuteno e aquisio de
leo diesel e lubrificante. O impacto na renda das famlias cooperativadas dever ser bem visvel e dever
refletir na melhoria na qualidade de vida, cumprindo o principal objetivo do projeto. Como a usina no esta
em funcionamento, o quadro 2 mostra uma avaliao do sistema de gasificao para gerar energia com
base em dados tericos. O Quadro de Avaliao de Fatores de sustentabilidades do sistema de gasificao
para gerao de energia traa um resumo dos fatores que podem influir na viabilidade da apl.
174
Scio-econmico
Tcnicos
Favorvel
Favorvel
Favorvel
Desfavorvel
Favorvel
Favorvel
Desfavorvel
Favorvel
Favorvel
Favorvel
Favorvel
Favorvel
Desfavorvel
Favorvel
Desfavorvel
Desfavorvel
Favorvel
Favorvel
Favorvel
Desfavorvel
Desfavorvel
Desfavorvel
Favorvel
Favorvel
Desfavorvel
Favorvel
Ambientais
11.2.4 Resultados
A infra-estrutura idealizada para usina de gasificao foi implantada, carecendo de obras complementares na
unidade de beneficiamento de aa para viabilizar o pleno funcionamento do complexo. (fotos 11.17 A e B)
Figura 11.17 Vista do Complexo. Na figura A v-se o prdio da usina de gasificao ao fundo; direita a usina de beneficiamento
de aa; e em primeiro plano um dos postes de madeira implantados. Em B tem-se uma viso geral da implantao do complexo.
Resultados Concretos
175
O prdio est edificado como mostra a figuras 11.18 abrigando o gasificador e grupo-gerador
e nota-se que um engenhoso sistema de estocagem e secagem de biomassa foi construdo na
cobertura do prdio.
Figura 11.19 Planta baixa e perspectiva da usina de gasificao- Vistas da fachada do prdio onde se v a escada de acesso
ao silo de secagem (A e B)
Figura 11.20 A: Depsito de secagem de biomassa com cobertura mvel para proteger da chuva.B: Duto de ligao do silo
com o gasificador.
176
Figura 11.21 Gasificador instalado numa base metlica; em segundo plano v-se a sala do grupo gerador (A).Cisterna do
gasificador (B). Grupo-gerador e parte do pequeno tanque de leo diesel ao lado do motor(C).
A usina aloja o gasificador e o grupo-gerador e foi projetada especificamente para este fim.
Conta com ambientes internos arejados para permitir a rpida disperso dos gases e espao
suficiente para a realizao dos trabalhos de operao e manuteno. A cisterna est no exterior
do prdio (figura 12.21). O sistema de gasificao foi testado com sucesso durante trs horas
aproximadamente, no momento da entrega tcnica. Os equipamentos instalados esto com a
seguinte especificao tcnica:
Especificaes Tcnicas
1.Equipamento: Sistema de Gasificao de Biomassa
Projeto de referncia: cgpl, Combustion Gasification and Propulsion Laboratory, Department of
Aerospace Engineering, Indian Institute of Science, Bangalore India
Modelo: Topo aberto, co-corrente.
Dimenses do sistema (l a p)(m): 2,5 2,5 3,4
2. Dados de Operao
Peso 3000 kg
Biomassa
Consumo:
20kg/h
Umidade mxima :
15%.
Tamanho Mximo:
60 25 25 mm
Taxa de
rejeito:
4:1
Tipo: Qualquer bio-resduo slido de massa especfica aparente maior que 250 kg/
3
m , contedo de cinzas menor do que 5%
Eficincia a Converso Biomassa Para Gs 80 %
Percentual de Substituio de Diesel > 80 %
3
Consumo de gua 5.0 m /h
3.Grupogerador
Motor
CicloDiesel
Potncia 45cv
(1800 rpm)
Marca- mwm
Modelo229/3
Alternador
sncrono
Potncia 40kVA
Marca-Negrini
TipoAte
Resultados Concretos
177
12 Computacional
Daniel Onofre de Almeida Cruz, Hendrick M. Zrate Rocha e Robson Evilcio de Jesus Santos
12.1.1 Dados
Este software simula uma planta trmica de gerao de energia eltrica e requer os seguintes
dados de entrada:
Caldeira:
presso de operao da caldeira;
temperatura do vapor na sada;
eficincia trmica da caldeira.
Turbina:
presso de sada;
eficincia isentrpica;
potncia eltrica gerada.
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Condensador:
ttulo do vapor.
Bomba:
eficincia isentrpica;
temperatura do condensado.
Combustvel:
Poder Calorfico Inferior.
Computacional
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1. Nesta janela selecionado o combustvel a ser utilizado, o qual pode ser introduzido de trs
formas:
Pela anlise elementar;
Pela frmula qumica;
Escolhido da base de dados.
2. V
isualizar-se- a frmula qumica do combustvel selecionado. Se a opo escolhida for
Frmula qumica (em 1) esta parte se habilitar para ser editada.
3. Nesta regio visualizar-se- a anlise elementar do combustvel. Se a opo escolhida for
Anlise Elementar (em 1) esta regio ser habilitada para ser editada.
4. possvel introduzir a entalpia de formao, pcs ou estimar pcs (base seca),
selecionando a opo Definir hf,comb., Definir pcs ou Estimar pcs. Quando o
combustvel selecionando da base de dados necessrio que a opo Base de dados
esteja habilitada.
5. Aqui so introduzidas as ltimas caractersticas do combustvel: seu teor de umidade e o peso
molecular das cinzas; ou assumir o valor de 100 kg/kmol, que corresponde ao peso molecular
mdio das cinzas encontradas na madeira. Tambm nesta parte visualizado o pcs, pci e
outras caractersticas do nosso problema.
6. Definidas as caractersticas do combustvel, inicia-se a definio das caractersticas do
oxidante.
7. F inalmente nesta parte ser definida a razo de equivalncia. Podem-se selecionar duas
opes Comb./Oxd. ou Oxd./Comb.
A segunda regio reservada para definio das propriedades dos produtos (figura 12.4).
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10. Finalmente, nesta parte o usurio pode definir as equaes auxiliares para calcular os
elementos desejados. Recomenda-se selecionar cuidadosamente as opes.
Definidos as dados iniciais, clicamos em Calcular Valor para iniciar o clculo (figura 12.6).
Computacional
181
12.2.2 Resultados
Os resultados so encontrados nas reas II e IV. A rea II mostra as propriedades dos reagentes
e produtos em forma geral como entalpia; enquanto a rea IV especifica as propriedades de cada
elemento qumico dos produtos e reagentes, alm das propriedades da mistura dos reagentes
e da mistura dos produtos.
rea IV
rea II
rea IV
rea II
Figura 12.7 Resultados do clculo
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Referncias Bibliogrficas
Referncias Bibliogrficas
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12 Computacional
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