prof. dr.electo silva lora...
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ENCONTRO PROSUL 2007BIOENERGIA
MEMORIAL AMÉRICA LATINA
GERAÇÃO DE ELETRICIDADE COM BIOMASSA
Prof. Dr.Electo Silva [email protected]
O Núcleo de Excelência em Geração Termelétrica e
Distribuída
Instituto de Engenharia MecânicaUniversidade Federal de Itajubá
Alguns números (1998 – 2006)
35 pesquisadores deles 7 doutores. 6 novos laboratórios.Projeto e testes de 3 prototipos (MS, TV, MTG).80 cursos de extensao, mais de 1500 alumnos.22 dissertações de mestrado e 4 teses de doutorado defendidas. (17 e 11 em andamento)8 projetos de P&D concluídos e 14 em andamento.19 artigos publicados em revistas internacionais.
LINHAS DE ATUAÇÃOI - GERAÇÃO TERMELÉTRICA E COGERAÇÃO
Estudos de viabilidade técnico-econômica de sistemas com turbinas a vapor, turbinas a gás e/ou motores de combustão interna.
II - TECNOLOGIAS PARA A GERAÇÃO DISTRIBUÍDA
Avaliação teórico-experimental e projeto de microturbinas a gás, motores Stirling e células a combustível
III - USO ENERGÉTICO DA BIOMASSA
Estudos avançados sobre a gaseificação, combustão e geração de energia elétrica a partir da biomassa. Estudos de disponibilidade de recursos e viabilidade econômica e ambiental;
IV - BIO-METANIZAÇÃO DE RESÍDUOS
Avaliação teórico experimental da geração e uso energético de biogás obtido a partir da vinhaça e de aterros sanitários
V - REFRIGERAÇÃO E AR CONDICIONADO
Avaliação teórico-experimental de sistemas microturbina a gás / chiller de absorção;
VI - TURBINAS A GÁS E A VAPOR
Análise de desempenho de turbinas a gás e a vapor no ponto e fora do ponto de projeto. Comportamento operacional;
VII - MODELAGEM E DIAGNÓSTICO DE PROCESSOS TÉRMICOS
Otimização da operação e manutenção de unidades energéticas. Modelagens de esquemas térmicos em simuladores. Avaliação exergo-econômica de ciclos combinados;
VIII - ASPECTOS AMBIENTAIS DO USO DA ENERGIA
Medição da concentração de particulados e poluentes gasosos nos sistemas de combustão e gaseificação de biomassa. Dimensionamento e seleção de separadores de particulados. Análise do ciclo de vida. Dispersão de contaminantes;
PUBLICAÇÔES DO NEST
O NEST na internet www.nest.unifei.edu.br
BIOMASSA
BIOMASSA E MITIGAÇÃO DO EFEITO ESTUFA
2003 2050
Aspectos Técnicos
Rotas Tecnológicas de Conversão de Biomassa em Energia Elétrica
• Viabilidade ComercialEstado da arte das tecnologias disponíveis para a geração de eletricidade para diferentes faixas de potência.
Tipos de gaseificadores
Gás
Ar
Zona de combustão
Zona de redução
Zona de Pirólise
Zona de Secagem
Alimentação da Biomassa
Cinzas
Gás
Ar
Zona de combustão
Zona de redução
Zona de Pirólise
Zona de Secagem
Alimentação da Biomassa
CinzasAr
Zona de combustão
Zona de redução
Zona de Pirólise
Zona de Secagem
Alimentação da Biomassa
Cinzas
Gás
ArAr
Alimentação de biomassa
Cinzas
Zona de redução
Zona de combustão
Zona de pirólise
Zona de secagem
Ar Gás
Zona de secagem
Zona de
Pirólise
Cinzas
Z C ZR
alimentação de biomassa
ArAr
• Esquema da Tecnologia BIG/GT
Fonte: Copersucar
COGERAÇÃO NA INDUSTRIA DE AÇÚCAR E ALCOOL
SCHEME OF THE PLANT COGENERATION SYSTEM IN GATE-CYCLE: BASE (REFERENCE) CASE
Processo
Refino
63 bar abs. @ 480°C
33 bar abs. @ 320°C
T.G 40 MW
T.G 15 MW
G.V n°: 122 bar abs. @ 300°C
11 bar abs.
2,47 bar abs.
22 bar abs.
22 bar abs.
G.V n°: 5
G.V n°: 4 G.V n°: 2
Bomba 1
Bomba 2
Bomba 3
***
***
2,47 bar abs.
180°C
128°C
Bomba circulação
* Tandem I ** Tandem II *** Tandem III
Physical structure for scenario C
Energy specific cost for evaluated scenarios
64,24
54,07 53,98 53,93 53,97
85,5280,88 80,86 83,19 83,16
22,7819,07 19,76 20,34 21,05
0
20
40
60
80
100
A B1 B2 C1 C2
Cenários analisados
Cust
o es
pecí
fico
da e
nerg
ia p
rodu
zida
[R
$/M
Wh]
Energia Elétrica Gerada Energia Mecânica Produzida Calor Processo
Configuración AEAP – Central A electrificado / altos parámetrosde vapor
Balanço de Energia (Diagrama de Sankey) da Usina A com configuração AB e AAP.
• Geração de Eletricidade via Biogás
Biogás
Tecnologias
de Geração
Fertilizantes
Biodigestão
Anaeróbia
EletricidadeCalorResíduos
Orgânicos
Obtained output/Input values for energy balances in the range of 5,0-7,0 are much higher than the ones obtained for other oleaginous in Brazilian, European and EUA LCA studies.
Palm oil biodiesel: Renew/Fossil= 5,0-7,0
Propriedades dos biocombustíveis e do
diesel
Rendimento dos biocombustíveisna geração térmica de energia
elétrica.
CONSUMO ESPECIFICO DE COMBUSTÍVEL
Combustão (CV) e gaseificação: 2-4 kg/kWhBiodiesel (MCI): 0,44 kg/kWhBiogás (MCI): 0,42 m3/kWh (60% CH4, 30% efic.)Biogás (MTG): 0,47 m3/kWh (27 % efic.)Usinas de açúcar: 80-500 kWh/tc (20-45 % efic)Referencias: CTECC: 0,142 kg/kWh (GN)
Diesel (MCI): 0,35 kg/kWh
Experiencias Nacionais e Internacionais
Proyectos en ejecución en Brasil: CTE con ciclo a vapor (LAJES, Tractebel Energia)
Central Termoeléctrica de Piratini
• Empresa Koblitz• En operación desde 2002• Potencia instalada de 10 MW• Consume anualmente cerca de 142 mil toneladas de residuos de
madera para producir alrededor de 71 mil megawatts hora ano. • El costo de la inversión R$ 22 millones.
•Exemplos de plantas de gaseificação de Leito Fluidizado
Planta Värnamo – Suécia
Diagrama do processo de gaseificação VärnamoPlanta Värnamo
Características operacionais da planta Värnamo
Planta de gaseificação de biomassa Värnamo
Localização Värnamo - Suécia
Geração de eletricidade e calor 6MWe/ 9MWth
Tipo de gaseificador Leito fluidizado circulante pressurizado
Energia no combustível 18MW (15% umidade)
Tipo de combustível Resíduos de madeira
Eficiência elétrica líquida 32%
Eficiência elétrica total 83%
Pressão e temperatura do gaseificador 18 bar/ 950ºC
Poder calorífico do gás 5MJ/Nm3
Pressão e temperatura de vapor 40 bar / 455ºC
Tecnologia empregada SydKraft AB e Foster Wheeler
Gaseificador Foster Wheeler
Turbina a gás Alstom Gas Turbines Ltd.
Turbina a vapor Turbinenfabrik NadrowskiGmbH
Composição do gás
Composição do gás
Concentração (vol. %)
CO 16-19%
H2 9.5-12%
CH4 5.8-7.5%
CO2 14.4-17.5%
N2 48-52%
Planta ARBRE- Reino Unido
Diagrama do processo de gaseificação ARBRE
Planta ARBRE
Planta LAHTI- Finlândia
Diagrama do processo de gaseificação LAHTI
Planta LAHTI
Planta Burlington - Vermont
Diagrama do processo de gaseificação LAHTI
Planta Burlington
Planta Güssing - Áustria
Diagrama do processo de gaseificação Güssing
Composição do gás
Composição do gás
N2 1 a 3 vol (%)
CO 20 a 30 vol (%)
CO2 15 a 25 vol (%)
CH4 8 a 12 vol (%)
H2 30 a 45 vol (%)
NH3 1000-2000 ppm
particulados 50 g/Nm3
alcatrão 1 a 2 g/Nm3
Poder calorífico Inferior 12 MJ/Nm3
Planta Güssing
• Planta Bandeirantes
BIODIESEL EM MTG
Fornecedores, Disponibilidade e Viabilidade Comercial das
Tecnologias de Geração a partir da Biomassa
CICLO A VAPOR
Capacidade até 50 MWParâmetros: até 120 bars
: até 580 oCPrincipais Fabricantes:HPBDediniEquipalcoolCaldemaTGM, NG metalurgica, Siemens
Caldeira APU-70-7GI-PSEpara bagaço de caña fabricada
pela empresa CALDEMA Equipamentos Industriais
Ltda.
HPB
•Plantas de Gaseificação de Leito Fixo
Desenvolvimento de gaseificadores no Brasil: novo projeto da Termoquip
Avaliado recentemente porpesquisadores do NEST mostrandoum poder calorífico de 5 MJ/Nm3
•Plantas de Gaseificação de Leito Fluidizado
Planta Tipo de gaseificador Situação Combustível Aplicação Capacidade
da planta Tecnologia
ARBRE ENERGY Yorkshire, GB
LFC/ IGCCatmosférico Parada resíduos IGCC com turbina a
gás 8 Mwe TPS Termiska Processer
Cascina, Bioeléttrica-Itália LFC Design, em planejamento
desde 1999serragem , resíduos agrícolas IGCC 41MWt
Zeltweg- Áustria LFC Parada em 1997 casca, cavaco e serragem de madeira
planta de co-Combustão 4.2 Mwe ESB, Austria energy and
Environment ENEL
Lurgi- Alemanha LFC Planta piloto madeira, carvão eresíduos
geração de calor ePotência 1.7 MWt
Vermont- Estados Unidos LFC Projeto demonstrativo serragem de madeira
(200t/d)turbina a gás (ciclo
combinado) 500MW Batelle
Värnamo - Suécia LFC pressurizado Parada (Funcionou de 1998 a 2000) resíduos florestais Turbina a gás
(ciclo combinado)6 MWe9 MWt
SydKraft AB e Foster Wheeler
Lahti- Finlândia LFC Operação desde março 1998
resíduo de madeira eserragem
WPB/SIGAME,Brasil/ IGCC, GE
LM
167 MWe240 MWt
AMER LFC Comissionamento resíduos de madeira geração de calor 83 MWt Lurgi
BioSyn – Canadá LFB Desenvolvido na década de 80 resíduos de madeira produção de gás de
síntese
Güssing- Áustria LFC Comissionamento em 2001 resíduos de madeira geração de calor epotência
2MWe4,5MWt
Babcock Borsig Power, Austrian Energy
Biocycle - Finlândia LFC - Resíduos de madeira,resíduos florestais. IGCC 7MWe
6.78MWt Carbona
Greve in Chianti –Itália LFC - resíduos de madeira ciclo combinado 15 MWt TPS Termiska Processer
SIGAME- Brasil Parada Start-up 2000 Eucalipto IGCC 32 MWe GE LM
Perspectivas Futuras
MTG com queima externa de biomassa
.Eficiência elétrica 15%Eficiência de cogeração: 985 %Horas de operação: 4000BOWMAN TG50 50 KWe20-30 KWe em operação
CICLO ORGANICO RANKINE: 0,4-2,0 MW
Ciclo a vapor com motortipo rosca sem-fim
GASIFICADOR / MTG
GASEIFICADOR / SOFC
CCéélulalula ITSOFC ITSOFC parapara biomassabiomassa
O2
H2OCoalGasification
LoadCondenser Trapping Sx
Fuel recycling
CO2
DC Power
Heat Exchanger
Steam, Heat Recovery
O2-
H+
SolidBiomass
F
F: Syn. fuels: H2+CnHm
BiomassGasification
Coal
H2
(CH4 )COH2O
ITSOFC
Air
Projetos gaseificação – FC no mundo
Testes de um gaseificador de biomassa acoplado a uma SOFC no ECN (Holanda): 53 % de eficiencia.Projeto Green Fuel – Cell da CEE coordenado pelo CIRAD.Projeto Gaseificação SOFC – NREL (Estados Unidos)Projeto CEE na Universidade de Alquila na Italia (Gaseificador – MCFC)Pesquisas Teóricas – Universidade de Lund e Universidade de Delft
PROJETOS EM ANDAMENTO NO NEST
Fogão ecológico de 1 kWe. Modulo Fornalha/Stirling de 8-10 kWe.Modulo Gaseificador/MCI de 10 kWe.Modulo caldeira/TV/Ref. absorção de 300 kWe.Projeto ISBUC BIG/GT de 3 MWe.CTE de 50 MWeTestes de MTG operando com biodiesel(soja, mamona e dendê) e etanol.Análise do ciclo de vida do biodiesel.
Micro-turbine Capstone 30kW (Diesel)Diesel consumption 12,5 l/hGrid Connected or Stand Alone
GMT feeding system
Diesel
Electricity
Biodieseland
mixtures
RESULTS OF THE EXPERIMENTAL TESTS
10000
30000
50000
70000
90000
110000
0 5 10 15 20 25 30
Power [kW]
Hea
t Rat
e [k
J/kW
h]
DF100
BD5
BD10
BD15
BD20
BD25
BD30
BD50
BD75
BD100
0
2
4
6
8
10
12
14
0 5 10 15 20 25 30Power [kW]
Fuel
Vol
umet
ric F
low
[l/h
]]
DF100
BD5
BD10
BD15
BD20
BD25
BD30
BD50
BD75
BD100
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 5 10 15 20 25 30
Potência Corrigida [kW]
CO
[ppm
]
DF100
BD5
BD10
BD15
BD20
BD25
BD30
BD50
BD75
BD100
0
10
20
30
40
50
0 5 10 15 20 25 30
Potência Corrigida [kW]
NO [p
pm]
DF100
BD5
BD10
BD15
BD20
BD25
BD30
BD50
BD75
BD100
CONCLUSÕES
Ciclo a vapor - comercial (> 1 MW, Eff< 25 %).Poucos exemplos de sucesso de gaseificador motor (mais tem!!!!).Testes - biodiesel em motores e turbinas.Não tem tecnologias comerciais em escala de microgeração (regiões isoladas).Stirling a biomassa – Interessante!!!.Necessidade de plantas demonstrativas BIG-GT.Alternativa hidrólise da celulose/geração.Ciclos com fluidos orgânicos – Interessante!!!.Perspectivas MTG e Fuel Cells.