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An. 4. Enc. Energ. Meio Rural 2002

 

Geração de eletricidade a partir da biomassa com tecnologias avançadas de geração distribuída

 

 

MSc. Vladimir Rafael Melián Cobas; Prof. Dr. Electo Silva Lora

Núcleo de Estudos em Sistemas Térmicos (NEST), Instituto de Engenharia Mecânica (IEM), Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI). 37500-00, Itajubá-MG, telf. (35)36291355, 36291321

 

 

RESUMO

O presente trabalho mostra uma analise técnico econômica de três tecnologias: Micoturbinas, Motores Stirling e Células Combustíveis, para geração de eletricidade em pequena escala. As três têm a capacidade de operar com diferentes combustíveis, incluídos os renováveis, como é o caso da biomassa. Se considera que estas tecnologias vão ter uma importância significativa na mudança que já vem experimentando o setor elétrico a nível mundial (Geração Distribuída). A analise se limita a mostrar uma comparação entre estas tecnologias visando sua utilização em regiões isoladas onde, por causa da pequena densidade de carga ou pela localização física, é inviável levar uma rede interligada ao sistema energético nacional e, por outro lado, existe uma disponibilidade de Biomassa que consiga atender o consumo destas unidades. Estes requisitos se correspondem com grande parte das localidades da região norte do Brasil que hoje são atendidas por usinas a diesel subsidiadas pela conta de consumo de combustível ou ainda sem energia elétrica. O trabalho também mostra as principais características destas tecnologias e suas barreiras e vantagens para se inserir no mercado energético.

Palavras chaves: Geração de eletricidade, Biomassa, Novas Tecnologias.

ABSTRACT

The present work shows a techno-economical evaluation of three technologies: Micoturbines, Stirling Engines and Fuel Cells, for small scale electricity generation. The three technologies have the capacity to operate with different fuels, included the renewable ones, as it is the case of the biomass, these technologies are considered will have a significant importance in the actual change in power generation (Distributed Generation). The analyzes limits to show a comparison among these technologies seeking it use in isolated areas where, because of the small load density or for the physical location, it is unfeasible the electrical network and, on the other hand, an avaliability of Biomass to feed the consumption of these units exist. These requirements exist in great part of the places of the north area of Brazil that today are assisted by diesel plants subsidized by the CCC or still without electric power. The work also display the principal characteristics of these technologies and it barriers and advantages to enter in the energy market.

 

 

INTRODUÇÃO

Como já vem sendo reconhecida, a biomassa pode desempenhar um importante papel no balanço energético global. O uso da biomassa para a geração de eletricidade tem o potencial para resolver, pelo menos parcialmente, o problema da redução das reservas dos combustíveis fósseis. Em alguns países se vê a biomassa como o principal combustível no futuro da industria de geração de eletricidade e têm comprometido consideráveis recursos no suporte de programas de pesquisa nesta área (LOVACHYIOV; RITCHER, 1998). Exemplos deste tipo encontram-se espalhados por todo o mundo tanto em plantas pilotos como em projetos de pesquisa que comprometem diversas instituições governamentais, universidades e empresas do setor privado.

Por outro lado, a desregulamentação do mercado de eletricidade, o aumento das restrições ambientais e os recentes avanços tecnológicos voltados à geração distribuída, cria um espaço para a inserção no mercado de tecnologias modulares, limpas, eficientes para atender baixas potências.

Entre estas novas tecnologias se destacam as Microturbinas (MT), as Células Combustíveis (FC) e os Motores Stirling (MS). O uso de biomassa gaseificada para movimentar qualquer uma destas tecnologias ou ainda a combinação entre elas, em ciclo combinado, se apresenta como uma alternativa potencialmente atrativa para gerar eletricidade com elevada eficiência e níveis de emissões muito baixos (BUHRE; ADRIES, 2000).

A utilização destas tecnologias para o atendimento a consumidores isolados, onde uma rede de transmissão e distribuição seria economicamente inviável e o aceso de combustíveis fósseis é extremamente complexo e caro, pode contribuir na criação de novos mercados de energia, garantir o desenvolvimento destas regiões e incentivar o uso racional da biomassa disponível.

 

AS TECNOLOGIAS ANALISADAS

CÉLULAS COMBUSTÍVEIS. A FC é um dispositivo onde o oxigênio e o hidrogênio se combinam em ausência de combustão e em presencia de um catalisador para produzir eletricidade de forma eletroquímica, quando usado hidrogênio puro o único subproduto desta reação é a água, ver Figura 1. Diferentes tipos de células combustíveis tem sido desenvolvidas, geralmente são classificadas pelo o tipo de eletrólito utilizado. A continuação são relacionados os tipos principais de FC e suas temperaturas de operação (VAN DIJKUM, 1998):

 

 

O custo das FC é muito elevado para ser competitivo hoje, mas com a produção em massa, expertos da industria asseguram que esses preços devem cair no futuro próximo (KREIDER; CURTISS, 2000). As principais barreiras para o uso das FC incluem:

Em contraste com as barreiras mencionadas as FC apresentam características atrativas:

MICROTURBINAS. Baseadas no mesmo principio das turbinas a gás convencionais se encontram numa faixa de potencias entre 15 e 350 kW, podem ser acopladas a um gerador de corrente continua ou de corrente alternada de alta freqüência devido a suas altas velocidades de rotação, na faixa de 33.000 a 120.000 rpm. Na figura 2 são mostrados os principais componentes de uma microturbina de 5 KW.

 

 

A maioria destas unidades geradoras usam um recuperador com a finalidade de aproveitar o calor dos gases de exaustão para aquecer o ar da combustão. Sem o recuperador a eficiência global da MT está entre 15 e 17 % enquanto que, utilizando um recuperador eficiente (~85%), a eficiência pode ser dobrada e atingir valores de 33 % (WILLIS; SCOTT, 2000).

Entre os atrativos das MT pode-se mencionar:

MOTOR STIRLING. O ciclo Stirling consiste de um motor alternativo a pistão movido por uma fonte externa de calor. De forma parecida às máquinas de vapor, o ciclo Stirling usa um sistema fechado, onde a expansão de um gás de trabalho é aproveitada para obter potência mecânica, o gás de trabalho utilizado pode ser nitrogênio, hidrogênio, helio ou ar livre de oxigênio. A figura 3 mostra um MS de 3 kW desenvolvido pelo centro de pesquisas Joanneum na Áustria (PODESSER ET AL, 2000).

 

 

Atrativos dos MS:

Desvantagens:

 

A BIOMASSA COMO COMBUSTÍVEL PARA AS TECNOLOGIAS ANALISADAS

Produto das características das tecnologias analisadas se propõe o uso de gás biomassa obtido através de um gaseificador. Dependendo da tecnologia analisada a limpeza requerida do gás é diferente, o qual influi diretamente no custo do sistema. Na tabela 1 são mostrados os três tipos fundamentais de gaseificadores e os níveis de limpeza obtidos no gás resultante. Desta tabela pode-se observar que o gaseificador de tipo concorrente é o mais recomendável.

 

 

Nas FC o H2 é o único combustível que pode ser oxidado sobre a platina dos eletrodos, com uma cinética suficientemente rápida, capaz de produzir densidades elevadas de corrente, segundo GONZÁLES, 2000, outros combustíveis estão hoje em testes, mas a maioria das pesquisas nesta tecnologia se baseiam no uso do H2. Para obter H2 da biomassa deve ser aplicada a pirólise ou a gaseificação que tipicamente produzem um gás com 20% de H2. Este gás deve ser logo submetido a uma limpeza e posterior reforma para garantir a pureza do hidrogênio adequada. Logicamente estes elementos encarecem o custo da instalação. Na tabela 2 são mostrados os limites de tolerância dos diferentes tipos de FC.

Usando uma microturbina acoplada ao sistema gaseificador, as exigências de pureza do gás são menores. MTs adaptadas para operar com combustíveis de baixa pressão e concentração de H2 relativamente baixa, estão perto do estagio comercial, logo os custos associados ao sistema de limpeza são menores. Para garantir a operação com gases deste tipo é necessária a utilização de um sistema de filtragem, um combustor catalítico e algumas modificações construtivas nas microturbinas já disponíveis no mercado (SCHMIDT; GUNDERSON, 2000 apud PRABHU ET AL, 1998). O preço das microturbinas que operam com gás natural e óleo diesel, em estagio comercial hoje, está na faixa de 600 a 1100 US$/kW e se espera que nos próximos anos estes valores diminuam consideravelmente (DUNN, 2000).

Nos motores Stirligs As exigências de limpeza do gás são ainda menores, dada sua característica de aproveitar só o calor dos gases num trocador de calor, nestes sistemas o problema das impurezas do gás pode ser resolvido com uma limpeza periódica da superfície externa das tubulações do trocador de calor. Logicamente, neste caso já não é necessário um sistema sofisticado de limpeza do gás e o custo da instalação é menor (Bibliogr).

Independentemente da complexidade exigida por cada um destes sistemas eles oferecem a possibilidade de uso da biomassa como combustível, permitindo a substituição de combustíveis fósseis, fundamentalmente nas regiões isoladas do país, onde a disponibilidade de biomassa é considerável. O uso de óleo diesel e óleo combustível, para a geração de eletricidade nestas regiões, é subsidiado hoje pela Conta de Consumo de Combustível (CCC), mas esta deve ser erradicada nos próximos anos, como estabelece a lei 9.648 de maio de 1998 do MME, e ratifica a resolução 245 de agosto de 1999, da ANEEL. Por outro lado, esta ultima, incentiva o uso de fontes alternativas oferecendo os mesmos benefícios da CCC a projetos que, utilizando fontes alternativas de eletricidade, substituam a energia gerada hoje com combustíveis fósseis, ou que possam atender novas cargas.

 

ANALISE ECONÔMICA

A intenção fundamental desta analise é definir, entre as tecnologias propostas, quais são as de maior viabilidade considerando diferentes cenários econômicos e qual é a influencia especifica dos diferentes indicadores envolvidos. São analisados diferentes preços de biomassa numa analise de sensibilidade partindo do preço real no mercado (2,7 US$/GJ). Também são modificadas as taxas de juros considerando os valores diferenciados aplicados pelo BNDES para projetos priorizados de geração de eletricidade (10%). Na tabela 3 são apresentados os custos dos equipamentos do sistema e o consumo de biomassa de cada um deles. Os valores foram adotados considerando as faixas de potências disponíveis hoje no mercado para as FC e as MT e as estimativas de preço para o futuro imediato (SCHMIDT; GUNDERSON, 2000). Já no caso do MS foi adotado um valor de potência equivalente com os acionadores anteriores e o preço utilizado é o valor real para este equipamento, o qual se encontra hoje num estagio pré-comercial (DUNN, 2000). Nos três casos o preço do gaseificador foi tomado de valores correspondentes a analises já desenvolvidas por MANN, 1995 e SCHMIDT; GUNDERSON, 2000, sobre o Batelle Indirectly Heated Biomass Gasifier.

Os resultados da analise econômica realizada se resumem em três gráficos principais. No gráfico da figura 4 são comparados os diferentes sistemas considerando o peso especifico dos principais indicadores econômicos: custo de investimento, custo de operação e manutenção e custo do combustível. Este gráfico permite avaliar a influencia especifica de cada indicador sobre o custo da eletricidade gerada.

 

 

Na figura 5 são apresentados os resultados da análise de sensibilidade que considera diferentes cenários energéticos, neste caso é mudado o preço da Biomassa, assumindo que nestas regiões estes custos vão a depender significativamente da disponibilidade de biomassa no local. Logo na figura 6 é se mostra uma analise similar mudando as taxas de juros as quais influi no custo de investimento.

 

 

 

 

DISCUSSÃO DOS RESULTADOS

Observando o gráfico da figura 4 pode-se concluir que dos custos associados à energia gerada o elemento que mais influi é o custo de investimento com os equipamentos dos diferentes sistemas. Isto se deve fundamentalmente a dos fatores primeiro: por causa destas tecnologias não se encontram numa etapa comercial plena onde a produção em escala tem um papel importante na redução dos preços e por outro lado o custo do combustível é baixo se comparado com os combustíveis fósseis. Comparando entre tecnologias pode-se observar como os custos de investimento para o sistema com motor stirling são os mais caros, ainda com o sistema de gaseificação mais barato, isto se deve a que os custos considerados para o MS (1.500 US$) representam mais do dobro dos considerados para a MT (600 US$/kW). O sistema com FC, que tem os maiores custos de investimento consegue gerar eletricidade a um preço ligeiramente menor que o sistema com MS devido fundamentalmente à eficiência do sistema, para a analise foi considerada uma FC de carbonato fundido a qual não só usa o H2 senão também o CO contido no gás que reagindo com vapor contribui na formação de mais H2.

As curvas obtidas na figura 5 mostram a influencia da eficiência do sistema com FC para os diferentes cenários energéticos mostrados. É de significativo interesse observar como para valores maiores de 3 US$/GJ (equivalente a regiões com uma disponibilidade de biomassa superior o sistema com FC passa a ser mais viável que o sistema com MS. Para todos os cenários analisados MT se mostra mais viável devido fundamentalmente ao custo de investimento considerado para o acionador.

Analisando diferentes taxas de juros para o custo atual da biomassa (figura 6) pode-se observar uma questão similar ao gráfico da figura 5 só que neste caso a mudança se deve a dos fatores: primeiramente que o custo considerado para a FC não é muito maior do que o considerado para o sistema com MS e por outro lado a questão da eficiência da FC, que supera em 20% ao MS. A combinação desses dois fatores faz com que para taxas de juros menores de 15 % o sistema com FC gera uma energia mais barata que o sistema com MS. Na figura 6 se observa também que as variações nas taxas de juros no sistema com MT não são representativas.

 

CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES

Da analise realizada pode-se observar que dentre os três sistemas analisados o sistema com MT é o que consegue gerar eletricidade a um menor custo, isto devido fundamentalmente ao custo considerado da MT (600 US$/kW). Na realidade no mercado atual esta tecnologia tem um preço maior mas, em poucos anos, estes valores devem cair até os custos considerados. Esta afirmação é sustentada pelos fabricantes que prevêem a produção em massa para os próximos anos dado o crescente índice de vendas.

Existem discrepâncias na literatura com relação aos custos dos outros acionadores fundamentalmente os das FC pelo que seria ideal fazer um levantamento com os fabricantes do preço real deste equipamento, e constatar se realmente é possível uma diminuição rápida nos preços já que no caso especifico desta tecnologia existem problemas com os materiais integrantes da célula, é o caso do uso de platina nos eletrodos e de aleaçoes metal-cerâmica cujos custos são elevados.

Numa segunda etapa, com a finalidade de completar este trabalho deve realizar-se uma analise comparativa das tecnologias propostas com os custos reais associados às usinas térmicas localizadas na região norte/nordeste do Brasil, considerando os custos reais do combustível os quais mudam grandemente dependendo da localização das usinas e um levantamento das disponibilidades reais de biomassa nestas regiões.

 

REFERÊNCIAS

[1] LOBACHYOV, K.V., RICHTER, H.J. An Advanced Integrated Biomass Gasification and Molten Fuel Cell Power System. Revista Energy Convers. Vol. 39 N. 16 pp 1931 - 1943. Inglaterra, 1998.

[2] BUHRE, B.J.P., ANDRIES J., Biomass-Based, Small-Scale, Distributed Generation of Electricity and Head Using Integrated Gas Turbine-Fuel Cell Systems. Proceedings of ASME TURBO EXPO 2000. Munich, Alemanha, Maio, 2000.

[3] VAN DIJKUM, P. H. Status & Prospects of Fuel Cell Technology in Europe. In: Proceeding the Forum for the Changing Power Industry in Europe - POWER-GEN'98. CD-ROM. Milan, Italia, 1998.

[4] KREIDER, J. F.; CURTISS, P. S. Distributed Electrical generation Technologies and Methods for their Economic Assessment. ASHRAE Transactions 2000. V. 106. Atlanta, Estados Unidos, fevereiro, 2000.

[5] WILLIS, H. L.; SCOTT, W. G. Distributed Power Generation. Planning and Evaluation. Ed. Marcel Dekker, Inc. New York. p 597. 2000.

[6] RODGERS, C.; ARROYO, N. 25-5 ke Microturbine Design Aspects. Proceedings of ASME TURBOEXPO 2000, Munich, Alemanha, Maio, 2000.

[7] PODESSER, E., ENZINGER P., DERMOUZ H. Electricity Production in Rural Villages with A Biomass Stirling Engine. Documento fornecido pelo JOANNEUM RESEARCH, Elisabethstrasse 5, A-8010 Graz, Áustria, 2000.

[8] SCHMIDT, D.D., GUNDERSON, J. R. Oportunities for Hydrogen: An Analisis of the Application of Biomass Gasification to Farming Operations Using Microturbines and Fuel Cells. Proceedings of the 2000 DOE Hydrogen Program Review. 2000.

[9] GONZÁLES, E.R. Eletrocatálise e Pouição Ambiental. Revista Química Nova 23(2) 2000 pp 262 - 266. 2000.

[10] DAYTON, D. C. Fuel Cell Integration-A Study of the Impacts of Gás Quality and Impurities. Milestone Completion Report. National Renewable Energy Laboratory (NREL). Junho, 2001. Obtido via internet http://www.nrel.gov

[10] DUNN, S. Micropower: The Next Electrical Era. Wordwatch Paper 151. Worldwatch Institute. July, 2000.

MANN, M.K.. Technical and Economic Assessment of Producing Hydrogen by Reforming Syngas from the Battelle Indirectly Heated Biomass Gasifier. Reporte do NREL. 1995. Obtido via internet http://www.nrel.gov

 
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