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An. 5. Enc. Energ. Meio Rural 2004

 

Análise comparativa da utilização da biomassa com tecnologias convencionais de geração aplicando a eficiência ecológica

 

 

Electo Eduardo Silva LoraI; Karina Ribeiro SalomonII

IUniversidade Federal de Itajubá / Núcleo de Estudos em Sistemas Térmicos - NEST (IEM/UNIFEI) Av BPS 1303, CP 50, Itajubá, MG, CEP 37.500-903 - Brasil (electo@unifei.edu.br),
IIUniversidade Federal de Itajubá / Núcleo de Estudos em Sistemas Térmicos - NEST (IEM/UNIFEI) Av BPS 1303, CP 50, Itajubá, MG, CEP 37.500-903 - Brasil (karinas@unifei.edu.br)

 

 

RESUMO

A preocupação mundial com a redução das emissões atmosféricas, devido ao aquecimento global, é um assunto que vem sendo bastante discutido. Um parâmetro que avalia o impacto ambiental da emissão de CO2, SOx, NOx e PM, de maneira integral tomando como referencia os padrões de qualidade do ar internacionais vigentes é chamado de Eficiência Ecológica (e). Este artigo tem como objetivo, comparar o impacto ambiental da poluição atmosférica decorrente de tecnologias que utilizam a biomassa como combustível com tecnologias convencionais e avançadas de geração de eletricidade. Avalia-se também a vantagens da utilização da cogeração a partir da biomassa. O resultados mais relevantes são alguns gráficos comparativos confirmando que a utilização da biomassa como fonte energética é uma boa opção do ponto de vista ecológico, quando se utilizam métodos de controle de poluentes, ou então tecnologias com alta eficiência de conversão.

Palavras- chave: Biomassa, Eficiência Ecológica, Emissões de Poluentes.

ABSTRACT

The world's concern regarding the reduction atmospheric emissions, due to the global warming, it is a subject that is being quite discussed. A parameter that evaluates the environmental impact considering the emissions of CO2, SOx, NOx and PM in an integral way and comparing to the international air quality standards that are in force is called ecological efficiency (e). This paper intends to compare environmental impacts of the atmospheric pollution due to technologies that use the biomass as fuel with conventional and advanced technologies of electricity generation. It is also evaluated the advantages of the use of the cogeneration starting from the biomass. The most important results that were obtained are comparative graphs confirming that the use of the biomass as energy source is a good option from the ecological point of view, when pollution control methods are used.

 

 

1. Introdução

Entende-se por biomassa, a matéria vegetal criada pela fotossíntese e seus derivados tais como resíduos florestais e agrícolas, resíduos animais e a matéria orgânica contida nos resíduos domésticos municipais. È uma fonte renovável no sentido de que toda a energia obtida da biomassa é resultado da fotossíntese que aproveita a energia solar. Essa energia se não aproveitada pelos humanos acaba retornando ao ambiente através da digestão e da putrefação das plantas. Também é considerada renovável a partir do momento em que se pode através do manejo correto garantir seu ciclo, por exemplo garantindo o reflorestamento ou replantio. A utilização da biomassa como fonte energética apresenta uma série de vantagens, entre elas, contribuir à satisfação de uma fração considerável das necessidades energéticas do mundo, reduzir as emissões de CO2 contribuindo para diminuição do efeito estufa, bastante interessante do ponto de vista econômico, ambiental e social, entre outras. A biomassa pode ser utilizada para produzir eletricidade, calor e combustíveis, dependendo da técnica de conversão utilizada. As principais técnicas de conversão são, combustão, gaseificação, fermentação (transformação em metano - CH4) e pirólise da biomassa. Estudos recentes mostram a possibilidade da utilização da biomassa em tecnologias avançadas de geração de energia aumentando assim seu consumo ao longo dos próximos anos.

A preocupação mundial com a redução das emissões atmosféricas, devido ao aquecimento global, é um assunto que vem sendo bastante discutido. Os processos naturais de captura ou seqüestro do CO2, emitido na atmosfera são a fotossíntese e a absorção de CO2 pelos oceanos. Como esses processos naturais são insuficientes para capturar os excessos de CO2 emitidos vários países estão firmando acordos internacionais para que se possam diminuir estas emissões. O principal acordo firmado foi o Protocolo de Kyoto, em dezembro de 1997, no qual 38 países industrializados assinaram um acordo se comprometendo reduzir suas emissões combinadas de gases de efeito estufa em pelo menos 5% em relação aos níveis de 1990 até o período entre 2008 e 2012. Após o protocolo de Kyoto vieram outros acordos, entre eles a Convenção de Bonn realizada em julho de 2001 que foi uma marca política nas, até então, lentas negociações internacionais sobre o Protocolo de Kyoto. Outro acordo importante foi à conferência de Marrakesh em outubro de 2001 que teve o objetivo de resolver os assuntos pendentes de Bonn e concluir a conversão do Acordo em um texto formal e legal das Nações Unidas [1]. Atualmente o Protocolo de Kyoto continua sem ter validez: Rússia e EUA não assinaram o acordo.

O índice eficiência ecológica (e) avalia de uma forma integral os impactos ambientais causados pelas emissões, de CO2, SOx e NOx, em centrais termelétricas, resultante da combustão considerando 1 kg de combustível e não a quantidade de gases emitidos numa termelétrica por unidade de energia útil produzida [2], como padrões de emissões. Inclui-se o efeito da material particulado neste trabalho. Compara-se essas emissões aos padrões de qualidade do ar internacionais vigentes. Este trabalho tem como objetivo, comparar através da eficiência ecológica o impacto ambiental da poluição atmosférica decorrente de tecnologias que utilizam a biomassa como combustível com tecnologias convencionais e avançadas de geração de eletricidade. Avalia-se também a vantagens da utilização da cogeração a partir da biomassa. O resultados mais relevantes são alguns gráficos comparativos confirmando que a utilização da biomassa como fonte energética é uma boa opção do ponto de vista ecológico, quando se utilizam métodos de controle de poluentes, ou então tecnologias alta eficiência de conversão.

 

2. Tecnologias de Conversão Energética da Biomassa

Os biocombustíveis podem se classificar como [3]:

Biomassa Sólida: quanto à biomassa sólida, o processo de conversão ou aproveitamento de energia, passa primeiro pela recolha dos vários resíduos de que é composta, seguido do transporte para os locais de consumo, onde se faz o aproveitamento energético por combustão direta.

Biocombustíveis gasosos: sua obtenção faz-se a partir da degradação biológica anaeróbia da matéria orgânica contida nos resíduos como: efluentes agropecuários, resíduos da agroindústria e urbanos, obtendo-se uma mistura gasosa de metano e dióxido de carbono (biogás), aproveitando o seu potencial energético através da queima para obtenção de energia térmica ou elétrica. E o gás da gaseificação que é um processo termoquímico.

Biocombustíveis líquidos: biocombustíveis (biodisel, etanol, metanol) obtidos a partir de "culturas energéticas", podem ser utilizados na substituição total ou parcial como combustíveis para veículos motorizados. No caso do biodisel a sua utilização, com uma percentagem até 30%, é possível em motores de Diesel convencionais, sem alterações ao motor. O bio-óleo pode ser obtido também por pirólise ou liquefação.

As tecnologias geralmente utilizadas para a geração de eletricidade a partir da biomassa são as seguintes [4,5]:Combustão Direta: a produção de calor e energia através da combustão é aplicável a uma variedade de combustíveis sólidos, e varia numa escala de 200 kWe até 1000kWe. Através do excesso de ar gera gases quentes produzindo calor e eletricidade. Tem a vantagem de ser uma tecnologia comercial, apesar de ter uma eficiência baixa (20-40%).

Biodigestão - Digestão Anaeróbica: conversão bioquímica da matéria orgânica por bactérias anaeróbicas que produz o biogás (contém 60% de metano - CH4 e dióxido de carbono). Este gás tem médio poder calorífico que pode ser convertido para a geração de energia em pequenas quantidades, utilizando os resíduos orgânicos do local (esterco de aves, suínos, bovinos e resíduos urbanos - lixo). A matéria orgânica remanescente pode ser utilizada como fertilizantes. Possui baixa eficiência para produção de energia.

Fermentação: processo de conversão bioquímica para produção do etanol do açúcar destilado (cana-de-açúcar e beterraba) e amido colhido (trigo, milho). No caso da cana a sobra do bagaço é usada como combustível em caldeiras ou processos de gaseificação.

Gaseificação: conversão termoquímica realizada a temperaturas elevadas através da oxidação parcial dos elementos combustíveis da biomassa produzindo um gás, utilizável em diferentes tecnologias (TG, MCI, caldeiras, etc). È através da deficiência de ar e pode ser realizado em condições atmosféricas ou pressurizadas. Possui poder calorífico baixo e teor médio dos compostos combustíveis no gás são: CO=10-15%, H2 =15-20% e CH4=3-5%.

Pirólise: processo termoquímico que consiste na degradação térmica da biomassa em ausência de ar (total ou parcial) a temperaturas relativamente baixas, transformando em um combustível sólido (carvão vegetal), líquido (biocombustíveis) e gasosos (gás). Esta fração depende da temperatura e do tempo de residência.

A utilização da biomassa em tecnologias convencionais como: combustão/ciclos a vapor e sistemas gaseificador/motor de combustão interna, não têm apresentado, para potências pequenas, viabilidade tecnológica e/ou econômica. Visando esta questão, pesquisadores vêm estudando a utilização da biomassa em novas tecnologias mais avançadas para se obter melhores aproveitamentos. Entre elas estão [5]:

microturbinas a gás: refere-se a turbinas a gás com alta velocidade variável na faixa de potência de 15 a 300 kW. A utilização de um gás de baixo poder calorífico (gás de biomassa) em microturbinas requer duas considerações: a remodelação da microturbina para queima de um gás pobre e uma limpeza do gás antes desta queima.

células a combustível: são dispositivos eletroquímicos que convertem diretamente a energia química da mistura combustível/agente oxidante em eletricidade permitindo elevadas eficiências. Processo semelhante ao de uma bateria que é constantemente recarregada envolvendo dois reagentes (hidrogênio e ar). Atualmente existem quatro tipos de células caracterizadas pelo eletrólito utilizado são elas: eletrólito polimérico ou membrana de intercâmbio protônico (PEMFC), acido fosfórico (PAFC), de carbonato fundido (MCFC) e de óxido sólido (SOFC).

Sistemas híbridos:

a- Sistema gaseificador/célula a combustível/turbina a vapor: o gaseificador é utilizado como fonte de hidrogênio da célula a combustível com o aproveitamento da energia residual, em uma caldeira de recuperação e turbina a vapor, pelo resfriamento do gás pobre que sai do gaseificador e dos gases de exaustão da célula a combustível.

b- Sistema gaseificador/ célula a combustível/microturbina a gás: o gaseificador é utilizado como fonte de hidrogênio da célula a combustível com o aproveitamento dos gases de exaustão da célula numa microturbina a gás.

c- Atualmente essas tecnologias só utilizam combustíveis fósseis (gás natural e diesel). Neste artigo estudaremos também o comportamento da utilização da biomassa nestas tecnologias avançadas somente do ponto de vista ambiental. As tecnologias avançadas têm como principal aplicação à geração distribuída. A tabela 1 apresenta as principais características das tecnologias mencionadas acima.

 

 

3. Metodologia para o cálculo da eficiência ecológica

Para se calcular a eficiência ecológica deve-se considerar as concentrações máximas permissíveis de NOx, SOx e PM no ar. Para análise, toma-se como padrão de qualidade do ar da Organização Mundial da Saúde [6], valores para os quais não é possível detectar nenhum efeito sobre a saúde humana. Pelo fato do CO2 ser a causa de mudanças climáticas e não possuir padrões de emissões, alguns países, implementaram as chamadas taxas de carbono. Essas taxas estimulam as reduções de CO2 e penalizam quem emite altas concentrações. Deste modo [2, 7], assumiram uma concentração máxima permissível para CO2, de 10000 mg/m3. Utilizando as concentrações máximas permissíveis para os poluentes citados acima, acha-se os coeficientes para o cálculo da concentração de um poluente "integral" hipotético denominado do "Dióxido de Carbono Equivalente" (CO2)e. Segundo [2], para se calcular esse coeficiente, dividi-se o valor da concentração máxima permissível para o CO2 pelos padrões de qualidade do ar correspondentes ao NOx, SOx e PM. O padrão nacional de qualidade do ar, para material particulado (PM), segundo a Resolução do CONAMA, nº 3, de 28/06/90, é de 150 mg/m3. Avaliaram-se as seguintes tecnologias utilizando biomassa: ciclo a vapor -TCE - 80 Turbina condensação com extração (pressão inicial do vapor 80 bars), TCP-20 - Turbina de contrapressão (pressão inicial do vapor 20 bars), BIG/GT - Sistema integrado de gaseificação e turbinas a gás, microturbina - MT ( gás de biomassa e gás de aterro sanitário), células a combustível (células a combustível de ácido fosfórico - PAFC, célula a combustível de carbonato fundido - MCFC, células a combustível de óxido sólido - SOFC, e células a combustível com membrana para troca de prótons - PEMFC), sistemas híbridos (gaseificador/MCFC/TV (G/MCFC/TV) e gaseificador/microturbina/SOFC (G/MT/SOFC)). Comparou-se também a utilização da biomassa com tecnologias convencionais de geração de eletricidade, tais como: ciclo combinado - CC (turbina a gás/turbina a vapor) - gás natural, motor de combustão interna - MCI - óleo diesel e bio-óleo, turbina a gás ciclo aberto-TG - gás natural, ciclo a vapor - CV (caldeira/turbina a vapor) - carvão mineral (betuminoso).

Assim a expressão para (CO2)e será apresentada na Eq. (1):

A equação acima mostra que o óxido de enxofre equivalente em (CO2) é (SOx)e = 80*(SOx), isto é, a concentração equivalente de SOX de igual impacto ambiental que um kg de CO2, e assim para os outros poluentes. O melhor combustível, do ponto de vista ecológico, é aquele que apresenta o menor quantidade de carbono equivalente obtido como resultado da queima do mesmo. Para quantificar o impacto ambiental da queima de um combustível, definiu-se o "indicador de poluição" (Pg), Eq. (2), que pode ser calculado como:

onde (CO2)e é expresso em kg/kgcomb (kg de CO2 por kg de combustível), Qi é o PCI (poder calorífico do combustível) expresso em MJ/kg e Pg (indicador de poluição) é expresso em kg/MJ, onde kg refere-se a massa de (CO2)e.

Através da composição química do combustível em estudo, calcula-se o volume de gases gerados dos poluentes (SOx, (SOx)e) emitidos durante a combustão de 1 kg de combustível, através das equações para o cálculo dos volume teórico dos gases. Para calcular a quantidade de material particulado, PM e (PM)e, no gás toma-se como base o teor de cinzas dos combustíveis Para calcular o valor de NOx e (NOx)e, por kg de combustível depende de vários fatores, por exemplo da temperatura de combustão e do excesso de ar. Por este motivo, considera-se o valor dos fatores de emissões de diferentes tecnologias [8, 9, 10], tabela 2, levando em conta o tipo de combustível que está sendo utilizado, ao contrário da metodologia adotada pela referencia [2], que considera como quantidade de NOx no gás, o limite máximo aceitável de emissão (padrão de emissão) multiplicado pelo volume do gás. Para o gás de aterros sanitários considerou-se dados de fatores de emissão da EPA (Agência de Proteção Ambiental Americana) [11], onde são estabelecidos valores de 0.0014 kg/m3 de NOx. Segundo, IBAMA 2001 [12], a utilização do biodiesel (bio-óleo) reduziu a emissão de NOx em 4,6% comparando com a emissão do diesel. Finalmente, calcula-se o volume (CO2)e. Todas as concentrações devem ser expressas em kg/kg de combustível ou kg/kgcomb. Deve-se levar em consideração as eficiências de remoção dos poluentes quando se utilizam métodos de controle Equação (3):

 

 

Segundo [2], para se ter uma referência dos valores de Pg e comparar com outros combustíveis, utilizam-se dois combustíveis virtuais, um deles muito limpo (hidrogênio puro) com um Pg = 0 e o outro extremamente poluidor (enxofre puro) com um valor de Pg = 134 kg/MJ. Um fator determinante na redução dos impactos ambientais é que, tecnologias avançadas com maiores eficiências de conversão tecnologias, requerem menor quantidade de combustível, para gerar cada kWh de eletricidade, sendo assim menores emissões específicas.

 

4. Eficiência Ecológica

A eficiência ecológica, (e), é calculada através da Equação (4):

e integra num só coeficiente os aspectos que definem a intensidade do impacto ambiental de uma UTE: a composição do combustível, a tecnologia de combustão (no indicador de poluição) e a eficiência de conversão. O valor de e varia entre 0 e 1, de forma semelhante à eficiência da central termelétrica. É considerada uma situação insatisfatória, do ponto de vista ecológico, quando e=0, e e=1 indica uma situação ideal [2]. Os valores de e seguem as condições abaixo:

Para Pg = 0 kg/MJ (no caso, hidrogênio), e = 1 para todas os valores de η;

Para Pg = 134 kg/MJ (enxofre), e = 0 para todas os valores de η;

Para 0 kg/MJ < Pg < 134 kg/MJ (outros combustíveis fósseis), 0 < e <1 para todos os valores de η.

4.1 Aplicação da metodologia

Para determinar os valores de eficiência ecológica quando se utiliza a biomassa como fonte energética avalia-se a sua composição química, suas características (indicador de poluição, o dióxido de carbono equivalente e o poder calorífico inferior), bem como suas respectivas tecnologias de geração. Deve-se ressaltar, que para o uso sustentável da biomassa (bagaço de cana) e do bio-óleo as emissões líquidas de CO2 são consideradas nulas, exceto para utilização do gás proveniente do aterro sanitário. As características dos combustíveis são apresentadas nas Tabelas (3) e (4). Deve-se levar em consideração que o gás obtido a partir da gaseificação da biomassa passa por um processo de limpeza antes da sua queima em tecnologias avançadas de geração. Portanto para estas tecnologias não serão emitidos material particulado, apresentando eficiência ecológica máxima.

 

 

 

 

É chamado de "Valor Crítico de Eficiência Ecológica" e = 0.5, sendo o mínimo admissível do ponto de vista ecológico [2]. Para se chegar a este valor, partiu-se da idéia de que se utiliza como combustível um tipo de carvão com baixo poder calorífico e alto teor de enxofre cuja eficiência ecológica seria em torno de 0.5. A utilização do mesmo não seria recomendada como conseqüência do grande impacto do ambiental da sua combustão, devido à alta emissão de gases poluentes. A partir dos dados da tabela acima, pode-se calcular a eficiência ecológica para os combustíveis considerados (Tabela 5 e 6).

 

 

 

 

Os métodos de controle considerados para o cálculo da eficiência ecológica das tecnologias convencionais foram as seguintes [14]:

- Ciclo combinado - Dry Low NOx Burners (DLN) - 90%.

- Turbina a gás - ciclo aberto - Dry Low NOx Burners (DLN) - 90%.

- Motor de combustão interna - FDG (flue gas desulfurization) - 95% / SCR - 85% / ESP (precipitador eletrostático) - 99%.

- Turbina a vapor - Low NOx Burners (LNB) + NSCR (Redução catalítica não seletiva) - 65% / FDG - 95% / ESP - 99%.

- TCE - 80 - NSCR (50%) / ESP -99%

- BIG/GT - DLNB - 90%.

- TCP-20 - ESP - 99%.

A Figura (1) apresenta uma comparação entre as eficiências ecológicas com métodos de remoção de poluentes somente para utilização da biomassa como combustível. A figura (2) mostra uma comparação entre as tecnologias convencionais de geração que utilizam outros combustíveis e tecnologias avançadas utilizando a biomassa sem a utilização de métodos de controle. Na figura (3) também é apresentado à mesma comparação da figura anterior, mas quando se utiliza controle de poluentes. Já a Figura (4), apresenta as vantagens da cogeração utilizando diferentes tecnologias convencionais de geração.

 

 

 

 

 

 

 

 

Analisando a Figura (1), nota-se que a utilização a biomassa como combustível, resulta em altas eficiências ecológicas, principalmente em tecnologias avançadas onde as emissões dos poluentes são muito baixas. Observa-se também que o uso do bio-óleo utilizado em motores de combustão interna e gás de aterro utilizado em microturbinas possuem valores de eficiência ecológica alto mesmo sem considerar o uso de métodos de controle. Pode-se dizer que, o desenvolvimento tecnológico permite mediante a implementação de métodos de controle, quando necessário, reduzir consideravelmente o impacto ambiental da geração termelétrica. Já a Figura (2), mostra que maiores eficiências das centrais indicam maiores eficiências do ponto de vista ambiental. A figura (3), confirma a importância da utilização de métodos de controle de poluentes que mesmo em tecnologias convencionais de geração ao uso da biomassa obtém como resultado uma boa eficiência ecológica. Finalmente, a Figura (4) apresenta as vantagens da utilização da cogeração, pois resultam em eficiências ecológicas maiores, principalmente quando se utilizam métodos de controle de poluentes gasosos.

 

4. CONCLUSÃO

Utilizando o parâmetro de eficiência ecológica, pode-se avaliar o impacto ambiental das centrais termelétricas de uma forma integral. Assim permite-se concluir que:

- pode-se alcançar altas eficiências ecológicas utilizando tecnologias avançadas de conversão de energia com alta eficiência;

- A utilização de métodos de remoção de poluentes atmosféricos permite obter valores aceitáveis da eficiência ecológica.

- A utilização do bagaço de cana em tecnologias convencionais com uso de controle apresenta altas eficiências ecológicas podendo ser comparadas ao uso do gás natural e em tecnologias avançadas atingem a eficiência máxima, do ponto vista ambiental.

- O uso do bio-óleo e gás de aterro constituem uma ótima opção do ponto de vista ambiental.

- A cogeração pode ter uma contribuição considerável no acréscimo da eficiência energética em instalações de geração termelétrica, aumentando assim a eficiência ecológica.

 

5. Agradecimentos

O desenvolvimento deste trabalho contou com o apoio do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPQ, através de uma bolsa de doutorado.

 

6. Referências Bibliográficas

1. http://www.wwf.org.br/participe/minikioto_protocolo.htm

2. Cardu, M., Baica, M., 1999, "Regarding a global methodology to estimative the energy-ecologic efficiency of thermopower plants", Energy Conversion and management; 40(1): 71-87.

3. http://www.energiasrenovaveis.com (2004)

4. http://www.geocities.com (2004)

5. Nogueira, L.AH., Lora, E.S., 2002, "Dendroenergia: Fundamentos e Aplicações", Editora Interciência, 2ª Edição, 144 páginas.

6. Lora, E. S., 2002, "Prevenção e controle da poluição nos setores energético, industrial e de transporte", Editora Interciência, Rio de Janeiro, 2002;

7. Cardu, M., Baica, M., 1999, "Regarding a new variant methodology to estimative globally the ecologic impact of thermopower plants". Energy Conversion and Management; 40(14); 1569-75.

8. Blustein, J., 2001, "Environmental Benefits of Distributed Generation", Energy and Environmental Analysis, Inc.;

9. Sydkraff, 2001, Värnamo - Demonstration Plant.

10. Weston, F., Seidman, N., L., James, C., "Model Regulations for the Output of Specified Air Emissions from Smaller-Scale Electric Generation Resources" The Regulatory Assistance Project, 2001;

11. EPA (Environmental Protection Agency), 1995, "Compilation of Air Pollutant Emissions Factors", AP-42, Fifth Edition, Volume I: Stationary Point and Area Sources.

12. IBAMA, 2001 Fatores de Emissão de Motores homologados pelo PROCONVE.

13. Cortez, L.A B., Lora, E. S.,1997, "Tecnologia de Conversão Energética da Biomassa", Sistemas Energéticos II, EDUA/EFEI, Manaus, 540p.

14. Garcia R., 2002, "Combustíveis e Combustão Industrial", Editora Interciência, Rio de Janeiro.

 
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