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Como citar este trabajoAn. 5. Enc. Energ. Meio Rural 2004
Instalação de uma pequena central termelétrica a biomassa e cogeração com sistema de refrigeração por absorção: alternativa para pequenas comunidades agrícolas isoladas
Joel Carlos Zukowski Jr.I; Rogério Olavo MarçonII; Luis Augusto Barbosa CortezIII; Marcos Alves dos ReysIV
ICentro Universitário Luterano de Palmas
IICentro Universitário Luterano de Palmas
IIIEngenharia Agrícloa/UNICAMP - NIPE
IVCentro Universitário Luterano de Palmas
RESUMO
A falta de energia elétrica em diversas localidades do Brasil tem trazido uma perspectiva de baixo crescimento econômico e atravancamento do desenvolvimento tecnológico e científico. Para minimizar estes problemas propõe-se a utilização de sistemas de cogeração com pequenas centrais termelétricas queimando casca de arroz, (biomassa abundante em certas regiões do Brasil, como o Estado do Tocantins), como fonte de calor e utilizar o vapor da descarga da turbina para gerar frio através de um sistema de refrigeração por absorção. Pretende-se com este trabalho mostrar uma solução possível para problemas advindos da falta de energia elétrica em pequenas localidades rurais isoladas, problemas de processamento e armazenagem do resíduo agrícola, casca de arroz, e gerar frio para vários fins.
Palavras-chaves: Cogeração, PCT, briquetes de casca de arroz, biomassa
ABSTRACT
The lack of electrical energy in several localities of Brazil results in a slow perspective of in terms of economic growth and scientific and technological development. In order to minimize these problems it is proposed the use of co-generation systems with small thermoelectric plants burning rice rusk (an abundant biomass in certain regions of Brazil, as for example the Tocantins State) as a heat source and to utilize the discharged steam from the turbine to generate cold through an absorption refrigeration system. The work intends to show a possible solution to the problems originated from the absence of electric power in small and isolated rural villages, also problems of processing storage of agricultural residues and to generate cold for several applications.
1 Introdução
Recentemente o Brasil viveu uma crise de energia elétrica. Principalmente nos estados das regiões sul e sudeste, onde há a maior concentração de indústria e densidade demográfica. Esta crise é oriunda do grande crescimento do consumo principalmente do setor industrial e residencial e da falta de investimento em novas formas de geração de energia elétrica. A matriz energética brasileira está baseada na geração hidrelétrica de energia, perfazendo 90,8% do total gerado, sendo o Brasil o 2º Maior produtor de energia elétrica por esta fonte (BEN, 2000). Devido ao grande crescimento do consumo e a estabilidade da oferta, instaurou-se uma crise, que pode, dentre outras conseqüências, diminuir o crescimento sócio-econômico do país. Resolver esta situação não é tarefa simples e fácil. Dentre as possibilidades de geração de energia elétrica está as pequenas usinas termelétricas que utilizam como fonte de calor, resíduos agrícolas.
Como combustível para a caldeira utilizou-se briquetes de casca de arroz, biomassa abundante nas regiões do estado do Tocantins onde se produz este cereal. Para tornar estes sistemas mais eficientes do ponto de vista energético, a cogeração é a solução mais apropriada. Para tanto, utilizou-se um sistema de refrigeração por absorção de pequeno porte, para aproveitar o calor outrora rejeitado no condensador a fim de "gerar" efeito frigorífico.
Em condições favoráveis a biomassa pode contribuir de maneira significante para com a produção de energia elétrica. Hall (1991) estima que com a recuperação de um terço dos resíduos disponíveis seria possível o atendimento de 10% do consumo elétrico mundial e que com um programa de plantio de 100 milhões de hectares de culturas especialmente para esta atividade seria possível atender 30% do consumo. Considerando a adoção de novas tecnologias, estima-se que as centrais a biomassa, até meados do próximo século, poderão apresentar uma capacidade instalada similar a de origem nuclear e hidráulica (MPS, 1993).
2 Produção de arroz no Estado do Tocantins
Atualmente o estado do Tocantins é um dos maiores produtores de grãos do Brasil. A figura 1, abaixo, mostra o crescimento da produção neste setor de 1996 a 1999.
O estado tem hoje uma produção grande de arroz, a figura mostra a produção total de todos os grãos no estado do Tocantins. Pode-se verificar que na safra ano de 1998/99 a safra foi de aproximadamente 650 mil ton.
Da figura 2.b pode-se verificar que a produção de arroz corresponde a 68,5% do total de grãos no estado. Considerando que a quantidade de casca produzida como resíduo corresponde a 10% em massa do total produzido, na safra 98/99 obteve-se 44165,8 ton de casca. A produção de arroz no ano de 2000 foi de 171.415 ton de sequeiro e 220.503 ton de arroz irrigado, perfazendo um total de 39.1918 ton. Considerando que deste montante cerca de 10% é casca, tem-se uma produção de 39.191,80 ton de casca de arroz. Nas duas safras produziu-se 83357,6 ton de casca de arroz. Os agricultores estão, então diante de dois problemas: 1- a falta de energia elétrica para melhorar seus processos e 2- a falta de espaço para armazenar/processar este resíduo, visto que o tempo para decomposição é relativamente longo para ser utilizado como adubo.
A alternativa mais inteligente para solucionar este problema é a utilização desta biomassa como fonte de calor em pequenas centrais termelétricas. Queima-se o briquete de casca de arroz para gerar vapor a ser utilizado em turbinas a vapor, gera-se energia elétrica, suprindo as necessidades de energia em pequenas localidades rurais, melhora-se os processo agrícolas, utiliza-se o vapor saturado como fonte de calor para refrigeração por absorção ou seja a cogeração. Produz-se vapor, gera-se energia elétrica, calor residual que seria jogado fora no condensador é reaproveitado no gerador do sistema de refrigeração por absorção para produzir efeito frigorífico. Além do aproveitamento da energia advinda da biomassa, este sistema aumentando a oferta de mão de obra, fixando o homem em sua região de origem, conseqüentemente melhorando a qualidade de vida das populações de localidades isoladas.
3 Pequenas centrais termoelétricas a biomassa
O incremento da produção de eletricidade em pequenas centrais termoelétricas (PCT's) a biomassa foi um tema de discussão no Brasil, principalmente a nível governamental, entre o final dos anos 70 e início dos anos 80. Nesta oportunidade foi cogitado adotar tal tecnologia para os sistemas isolados, especialmente na Amazônia, a partir de madeira das reservas naturais ou de áreas reflorestadas. As tecnologias consideradas neste caso foram: a gaseificação de carvão vegetal, em gasogênios associados a grupos motogeradores de ciclo Diesel e a combustão direta em caldeiras, em ciclos Rankine com turbinas a vapor. Visando maiores capacidades e empregando ciclos a vapor, consumindo lenha picada, para unidades com capacidade acima de 5MW ou lenha em toras, para capacidades inferiores, foram projetadas ou instaladas diversas unidades na primeira metade dos anos oitenta. As centrais efetivamente instaladas estavam associadas a canteiros de obras de usinas hidroelétricas e a agroindústrias de grande porte em sistemas isolados, sempre utilizando lenha nativa cortada da área dos reservatórios ou oriundas de frentes de desmatamento associadas à expansão da fronteira agrícola (Castro et al., 1989).
Um exemplo emblemático das dificuldades a enfrentar na implantação de uma central termelétrica a lenha prevista para operar com lenha produzida pelo manejo sustentável de formações naturais pode ser dado pelo projeto de Manacupurú, idealizado para a cidade do mesmo nome, localizada em frente à cidade de Manaus, na margem oposta do Rio Negro. Em termos brasileiros, talvez este projeto seja aquele que mais adiante avançou na proposta de utilizar racionalmente a biomassa da floresta amazônica para geração de eletricidade em média escala e segundo uma tecnologia moderna, com turbinas a vapor multiestágio e caldeiras a lenha picada. Os equipamentos chegaram a ser licitados, contudo a descontinuidade dos recursos, cuja disponibilidade dependia de um agora extinto imposto único sobre energia, os elevados custos, da ordem de 4.500 EE.UU.$/kW, e que envolviam a infra-estrutura de manejo e produção florestal, bem como as dificuldades de dados quanto aos impactos e produtividade ambiental foram fatores de desmotivação e de insucesso para o empreendimento.
Nesta época, na expectativa de um mercado que efetivamente pouco se expandiu, um fabricante de bens de capital e sistemas energéticos chegou a apresentar uma padronização de centrais termelétricas a vapor, com unidades de 800, 1.500 e 2.400 kW, empregando caldeiras aquotubulares e turbinas a vapor multiestágio, com um consumo específico ao redor de 2,80 kg de lenha (40% de umidade) por kWh gerado (Zanini, 1986).
Particularmente considerando o uso de locomoveis, estimou-se que apenas no Estado do Rio Grande do Sul existam atualmente cerca de 30 MW instalados em pequenas unidades de até 200-400 kW consumindo resíduos de serraria e casca de arroz. Estudos realizados para esta alternativa tecnológica indicam sua competitividade frente ao suprimento convencional sempre que as distâncias até a rede da concessionária são significativas e o combustível possa ser obtido a baixo custo (Nogueira e Santos, 1985).
4 Sistemas de refrigeração por absorção
As instalações frigoríficas por absorção não tem tido um papel expressivo na indústria de refrigeração brasileira. Este fato é parcialmente explicável pela maior complexidade do projeto em relação a uma instalação de compressão. A crescente escassez de energia elétrica e a disponibilidade de combustíveis de baixo custo, certamente, tornarão este tipo de instalação cada vez mais interessante (Mühle, 1998). No mercado brasileiro existem sistemas de refrigeração por absorção de pequeno porte que utilizam o par água-amônia, também conhecidos como sistemas de absorção de porte doméstico. Esta tecnologia foi desenvolvida por Baltzar Von Platen e Carl Gustav Munters que o apresentaram como trabalho de graduação (Martins & Almén, 1998). As capacidades frigoríficas para os refrigeradores domésticos variam usualmente entre 30 e 150 W, conforme o volume do gabinete (entre 100 e 450 litros). Sistemas de maior porte utilizam, normalmente, a tecnologia "Carré", cuja diferença da anterior é que os sistemas Platen & Munters trabalham com um gás inerte (por exemplo: N2, H2) juntamente com o par água-amônia e não utilizam bomba de solução (Zukowski Jr., 1999).
Sob o ponto de vista energético, em certos cenários a utilização desta tecnologia pode ser mais interessante que a utilização de sistemas de refrigeração por compressão. As propriedades rurais brasileiras, bem como de outros países em desenvolvimento, em sua maioria não são providas de energia elétrica e os sistemas de refrigeração por absorção, não são grandes consumidores desta fonte de energia.
Nas regiões Norte e Nordeste do Brasil, onde a necessidade de refrigeração para conservação da produção agrícola, principalmente de frutas e hortaliças, é mais evidente, a utilização de sistemas de refrigeração por absorção é uma alternativa a ser considerada. A utilização da energia solar como fonte de calor e para geração de energia elétrica é uma alternativa para a carência de energia elétrica nestas regiões e, portanto, uma forma de se viabilizar a utilização de sistemas de refrigeração por absorção, tanto para condicionamento de ar, como para tratamento pós-colheita e industrialização de produtos agrícolas. Onde houver energia térmica disponível e de baixo custo, seja ela advinda da queima direta da biomassa, de biogás, de gases de escape de motores à combustão interna, solar ou de vapor residual de processos, a tecnologia de refrigeração por absorção pode ser empregada.
5 Descrição da planta de cogeração
A figura 3 mostra o esquema do sistema instalado no campo experimental do CEULP/ULBRA. A planta de cogeração foi formada por uma pequena central termelétrica composta por:
- Caldeira Domel com produção de 300kg/h à pressão de 12 kgf/cm2 (figura 4.a);
- Conjunto turbo-gerador modelo TEW-400 com redutor CESTARI e gerador WEG, adquirido da empresa Equipe Industria Mecânica Ltda., com potência nominal de 35kVA, 60Hz e tensão nominal 380V trifásico (Figura 4.b);
- Planta de refrigeração por absorção formada por três geladeiras Eletrolux, das quais uma foi modificada para ser usada como resfriadora de água (figura 5.a e 5.b);
- Galpão para proteção da chuva e do sol (figura 6) de 10m x 5m.
Para a realização dos testes foi instalado um sistema de aquisição de dados via computador. foi utilizado um computador com um sistema de aquisição de dados da Linx Tecnologia. Através de um software foi feito o monitoramento e o tratamento dos sinais provenientes dos diversos sensores instalados no sistema em estudo.
6 Montagem e instalação do sistema de COGERAÇÃO
O sistema de cogeração usando uma pequena central termelétrica e sistema de refrigeração por absorção foi instalado no campo experimental do CEULP/ULBRA. Para abrigar o sistema foi necessário construir-se um galpão de alvenaria. O galpão foi projetado e construído considerando-se as necessidades do projeto. Com uma área de 50m2 (figura 6), abriga todo o sistema e uma sala que funciona como laboratório para abrigar o computador e sistema de aquisição de dados. Para garantir o fornecimento ininterrupto de água foi instalado um reservatório de água de 3000L. Este reservatório foi instalado em uma plataforma a 4m do solo para garantir que a bomba da caldeira trabalhe afogada e economizar energia.
A caldeira foi instalada próxima à turbina para minimizar as perdas de carga e baratear o custo com tubulações e mão de obra. A instalação foi totalmente feita pela equipe do projeto, incluindo alunos de iniciação científica do programa PROICT do CEULP/ULBRA.
Para instalar foram necessários alguns preparativos. Base inercial, tubulações, isolamento, etc. O sistema foi instalado segundo projeto do fabricante. A turbina, redutor e gerador foram instalados pelo fabricante em uma base metálica, sendo entregue montada. Para instalação do conjunto foi necessário construir uma base inercial, de acordo com o projeto do fabricante. A figura 7 mostra turbina.
A turbina é de um único estágio, fabricação Equipe, construída originalmente para fornecer 200CV e adaptada para fornecer, nesta planta, 40CV. Isto indica que, trocando-se o gerador e aumentando-se o fornecimento de vapor pode-se gerar pelo menos 150kVA em 380V trifásico.
7 Resultados
7.1 Operação da caldeira
Depois de instalada a caldeira foi colocada em marcha, inicialmente com lenha. O sistema operou satisfatoriamente. A figura mostra a caldeira instalada. Para se queimar briquetes em uma caldeira inicialmente projetada para lenha algumas adaptações são necessárias. As caldeiras a lenha de pequeno porte, normalmente tem grelha pequena e não precisam de insuflamento adicional, pois a compactação da lenha dentro da fornalha é muito pequena. Os briquetes apresentam densidade muito maior, tamanho menor e, portanto, grande compactação, necessitando-se de alguns ajustes no sistema. Para tanto foi instalada na caldeira uma grelha adicional que manteve os briquetes afastados da entrada de ar. Este procedimento melhorou a queima e diminuiu a quantidade de carvão no recolhedor de cinzas.
O briquete mostrou-se muito mais eficiente do ponto de vista calorífico, pois queimando lenha a caldeira consome 90kg/h e queimando briquetes consome 80kg/h.
No entanto a quantidade de carvão residual nas cinzas é maior queimando briquetes que lenha, o que indica a necessidade de insuflamento de ar adicional na fornalha. Nos foi emprestado pelo IML de Palmas um soprador que será instalado no sistema para garantir uma queima total do briquete.
Apesar de não apresentar necessidade de ar adicional como o briquete, a lenha apresentou queima mais eficiente do ponto de vista da presença de carvão nas cinzas. No entanto a produção de vapor por kg de lenha foi menor que com briquete. Além da grelha adicional, para melhorar a aeração do briquete misturou-se lenha durante a queima. A queima combinada de lenha e briquete mostrou-se mais eficiente que as duas anteriores, pois a lenha impediu a compactação do briquete e este aumentou a quantidade de calor fornecida ao gerador de vapor. A quantidade total de biomassa fornecida a caldeira não sofreu variação significativa entre o queima de briquetes somente e queima combinada.
O gerador foi ligado ao sistema de acordo com as orientações do fabricante. Foram feitas várias tomadas de dados de operação, no entanto em relação à energia gerada não foi feita coleta no sistema de aquisição de dados. Para verificar se o gerador funcionaria adequadamente, considerando-se que é uma central de pequena capacidade, que pode ser instalada em uma localidade rural isolada, adaptou-se ao sistema um painel de luzes formado por 80 lâmpadas de 100W, 220V cada (figura 8). Também, conectou-se ao sistema um compressor disponível no campo experimental e uma máquina de solda.
As luzes instaladas procurando-se distribuir de forma mais uniforme possível a carga entre as fases. Ao se ligar às luzes o gerador não mostrou grande variação na necessidade de vapor. Ao se conectar o compressor, com motor de 1/2hp, não se verificou variação na velocidade do gerador. Conectando-se o painel de lâmpadas e o compressor pode-se verificar uma pequena variação de velocidade no gerador. No entanto quando se ligou a máquina de solda houve necessidade de aumentar a vazão de vapor. O que se esperava, pois este equipamento consome muita energia. Considerou-se que o sistema funcionou dentro do esperado e que a tecnologia é viável e propícia.
8 Conclusões
Conclui-se que:
- Onde houver biomassa disponível este sistema poderá ser utilizado com sucesso;
- Pequenas centrais termelétricas são uma alternativa tecnologicamente possível para comunidades isoladas;
- O briquetes de casca de arroz usados como combustível é uma alternativa aos derivados de petróleo para produção de energia elétrica;
Agradecimentos: Ao CEULP/ULBRA, a equipe de trabalho e às empresas que forneceram equipamentos a custos inferiores, em alguns casos aos de mercado. Este trabalho foi desenvolvido com fundos do CNPq, Edital universal/2001.
BIBLIOGRAFIA
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