usina híbrida heliotérmica-biomassa em ciclo rankine...
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USINA HÍBRIDA HELIOTÉRMICA-BIOMASSA EM CICLO RANKINE
ORGÂNICO
Pedro Lee Moraes
Projeto de Graduação apresentado ao Curso
de Engenharia Mecânica da Escola Politécnica,
Universidade Federal do Rio de Janeiro, como
parte dos requisitos necessários à obtenção do
título de Engenheiro.
Orientador: Alexandre Salem Szklo
Rio de Janeiro
Fevereiro de 2017
Moraes, Pedro Lee
Usina Híbrida Heliotérmica-Biomassa em Ciclo Rankine
Orgânico/ Pedro Lee Moraes. � Rio de Janeiro:
UFRJ/Escola Politécnica, 2017.
XIII, 70 p.: il.; 29, 7cm.
Orientador: Alexandre Salem Szklo
Projeto de Graduação � UFRJ/ Escola Politécnica/
Curso de Engenharia Mecânica, 2017.
Referências Bibliográ�cas: p. 65 � 70.
1. Usina Híbrida. 2. Heliotérmica. 3. Biomassa.
4. Ciclo Rankine Orgânico. I. Szklo, Alexandre Salem.
II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, UFRJ, Curso
de Engenharia Mecânica. III. Usina Híbrida Heliotérmica-
Biomassa em Ciclo Rankine Orgânico.
iii
Eu dedico este projeto a todos que
me in�uenciaram a entrar para o
mundo das fontes alternativas de
energia.
iv
Agradecimentos
À minha família, pelo suporte e paciência que tiveram comigo ao longo de toda
minha vida. Agradeço à minha mãe, Lee, pelo amor incondicional e dedicação total
à educação e bem-estar de seus três �lhos. Ao meu pai, Jorge, por mostrar que tra-
balho duro e riscos fazem parte e são essenciais para o sucesso e reconhecimento. Ao
meu irmão, Daniel, e a minha irmã, Catarina, pela parceria em todos os momentos.
Aos meus amigos do Colégio Santo Agostinho, que carrego até hoje no meu
dia-a-dia, e da vida pelas experiências, conversas e momentos que passamos juntos.
Estar com eles me traz a alegria de uma criança.
A todos que participaram do meu ano de intercâmbio na University of Dundee
por me acompanharem em muitas aventuras, descobrindo novas culturas e compar-
tilhando risadas. Aprendi muito com todos, que realmente abriram minha mente.
Sem dúvidas, nosso ano na Escócia foi um dos melhores da minha vida.
Aos meus grandes amigos da prestigiada Universidade Federal do Rio de Janeiro,
com os quais tive a felicidade de conviver ao longo do curso de Engenharia Mecânica.
Acredito que fazer parte deste grupo que criamos seja o real motivo de eu não me
satisfazer com a simples aprovação nas disciplinas na faculdade, procurando sempre
o melhor resultado. Um obrigado especial para Eduardo, Eduardo e Carlos Eduardo,
que �zeram tudo muito mais divertido.
Aos meus amigos da Natural Energia, com os quais aprendo enormemente e tento
me espelhar a �m de me desenvolver como excelente pro�ssional.
Ao meu orientador, professor Alexandre Salem Szklo, pela oportunidade que me
deu ao auxiliar meu trabalho de conclusão de curso e pela liberdade dada a mim na
construção do mesmo. É também o autor das melhores aulas que assisti na UFRJ.
A todos que de alguma forma ajudaram a me tornar a pessoa que sou hoje.
v
Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/UFRJ como
parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Mecânico
USINA HÍBRIDA HELIOTÉRMICA-BIOMASSA EM CICLO RANKINE
ORGÂNICO
Pedro Lee Moraes
Fevereiro/2017
Orientador: Alexandre Salem Szklo
Programa: Engenharia Mecânica
O objetivo deste trabalho é propor uma usina híbrida heliotérmica-biomassa em
Ciclo Rankine Orgânico a �m de aproveitar as vantagens de cada uma das tecnologias
escolhidas e fornecer energia elétrica de forma segura. Foi suposta uma demanda
constante de 2MW a ser gerada apenas pela usina.
No funcionamento dela, foi utilizada a tecnologia Linear Fresnel para absorção
da energia solar, com termoacumulação, que possibilita armazenar energia térmica
para uso posterior. Ainda existe conectada ao sistema uma caldeira a biomassa
que fornecerá a demanda térmica no caso de o sistema solar não conseguir suprir
as necessidades energéticas para o funcionamento em carga nominal da turbina,
que funcionará usando um Ciclo Rankine Orgânico com o pentano como �uido de
trabalho.
Calculada a e�ciência do Ciclo Rankine Orgânico a pentano, 16,55%, descobrimos
a carga térmica que cada parte do sistema deve prover à turbina. Com isso, pode-se
determinar a área a ser coberta pelo campo solar, 10,5 hectares, e a área para a
cultura energética da jurema-preta, de 280,8 hectares, para fornecer a quantidade
de biomassa �orestal a ser usada anualmente, 2.432 toneladas. Esta área totaliza,
então, 291,3 hectares para a usina híbrida nos fornecer 2MW.
vi
Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial ful�llment
of the requirements for the degree of Mechanical Engineer
SOLARTHERMAL-BIOMASS HYBRID PLANT ON AN ORGANIC RANKINE
CYCLE
Pedro Lee Moraes
February/2017
Advisor: Alexandre Salem Szklo
Department: Mechanical Engineering
The aim of this work is to propose a hybrid heliothermal-biomass plant using
an Organic Rankine cycle in order to take advantage of each of the technologies
and provide electricity safely. A constant demand of 2MW was established, being it
supplied by the proposed plant.
The Linear Fresnel technology for solar energy absorption is used, with thermal
storage, which allows storing thermal energy for later use. There is also a biomass
boiler that provides the thermal energy in case the solar system is unable to meet
the requirements for the rated load of the turbine, which will work using an Organic
Rankine cycle with pentane as working �uid.
After calculating the e�ciency of the Organic Rankine cycle with pentane, equal
to 16.55%, we found the thermal load that each part of the system should provide
to the turbine. Thus, it is possible to determine the area occupied by the solar
�eld, 10.5 hectares, and the area needed for jurema-preta energetic culture, 280.8
hectares, enough to provide the amount of biomass to be used annually, 2,432 tonnes.
To produce 2 MW of electricity, 291.3 hectares would be needed by this plant.
vii
Sumário
Lista de Figuras xi
Lista de Tabelas xiii
1 Introdução 1
1.1 Motivação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Organização do Trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2 A Energia Solar 4
2.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2 Radiação Solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2.1 Radiação Solar Extraterrestre . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2.2 Radiação Solar Terrestre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.3 Sistemas de Medição . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.4 Potencial Solar Brasileiro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3 Ciclo Rankine Orgânico 11
3.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.2 Revisão Teórica Termodinâmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.2.1 Propriedades Termodinâmicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.2.2 Leis da Termodinâmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.2.3 Máquinas Térmicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.3 Comparação entre Ciclo Rankine Orgânico e Ciclo Rankine Vapor . . 18
3.3.1 Resumo Comparativo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.4 Fluido de Trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.5 Propriedades Termofísicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
viii
3.6 Con�gurações do Ciclo Rankine Orgânico . . . . . . . . . . . . . . . . 24
4 Energia Solar Térmica Concentrada 26
4.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.2 Cilindro Parabólico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.2.1 Concentradores Cilindro-Parabólicos . . . . . . . . . . . . . . 28
4.2.2 Tubos Receptores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4.2.3 Fluido de Transferência de Calor . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4.2.4 Rastreamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4.3 Concentradores Lineares Fresnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.3.1 Re�etores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.3.2 Receptor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.3.3 Fluido de Transferência de Calor . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.4 Torre de Receptor Central . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.4.1 Heliostato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.4.2 Receptor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.4.3 Fluido de Transferência de Calor . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.5 Discos Parabólicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.5.1 Motor Stirling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.6 Termoacumulação e Múltiplo Solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.7 Plantas Híbridas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
5 Biomassa 39
5.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
5.2 Biomassa no Brasil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
5.2.1 Biomassa de Origem Florestal . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
5.2.2 Biomassa de Origem Agrícola . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.2.3 Biomassa Derivada de Resíduos Urbanos e Industriais . . . . . 45
5.3 Tecnologia para Geração de Energia Elétrica a partir da Biomassa . . 46
6 Estudo de Produção de Energia Elétrica 49
6.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
6.2 Modelo e Tecnologias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
6.2.1 Demanda de Energia Elétrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
ix
6.2.2 Localização . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
6.2.3 Tecnologia Heliotérmica: Linear Fresnel . . . . . . . . . . . . . 51
6.2.4 Fluido de Trabalho no Ciclo Rankine Orgânico: Pentano . . . 51
6.2.5 Biomassa: Jurema-Preta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
6.3 System Advisor Module . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
6.4 Dimensionamento da Usina CSP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
6.5 Back-up com Biomassa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
6.6 Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
7 Conclusão 63
Referências Bibliográ�cas 65
x
Lista de Figuras
1.1 Geração de Energia Elétrica no Mundo [1] . . . . . . . . . . . . . . . 2
2.1 Redução da Irradiação Solar devido à Distância [2] . . . . . . . . . . 5
2.2 Radiação Solar Direta no Mundo [3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3 Órbita da Terra em torno do Sol [4] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.4 Piranômetro SR11 [5] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.5 Piranômetro com acessório para eclipse da Radiação Direta [6] . . . . 9
2.6 Pireliômetro DR01 [5] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3.1 Ciclo Carnot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.2 Ciclo Stirling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.3 Ciclo Rankine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.4 Ciclo Rankine Superaquecido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.5 E�ciência de Diferentes Ciclos [7] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.6 Diagrama dos tipos de Curvas de Saturação [7] . . . . . . . . . . . . . 22
3.7 Curvas de Saturação para algumas substâncias: Refrigerantes R123,
R134a e R245fa são �uidos isentrópicos; Tolueno, Heptano e Pentano
são �uidos secos, Água é �uido úmido [8] . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.8 Con�guração do Ciclo Rankine Orgânico [9] . . . . . . . . . . . . . . 24
3.9 Con�guração do Ciclo Rankine Orgânico Regenerativo [9] . . . . . . . 25
4.1 Calha Parabólica [10] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4.2 Tubo Receptor ([11] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4.3 Rastreamento ao Longo do Dia [12] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.4 Sistema CSP Linear Fresnel [13] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.5 Re�etor Secundário CSP Linear Fresnel [14] . . . . . . . . . . . . . . 32
xi
4.6 Sistema CSP Torre Solar [14] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.7 Heliostato CSP Torre Solar [12] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.8 Receptor CSP Torre Solar [15] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.9 Discos Parabólicos com motor Stirling [16] . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.10 Termoacumulação com Sal Fundido [17] . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
5.1 Geração de Eletricidade por Fonte [18] . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
5.2 Geração de Eletricidade por Fonte no Brasil [19] . . . . . . . . . . . . 41
5.3 Histórico de Safras de Grãos [20] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
5.4 Rotas Tecnológicas para Geração de Energia [21], . . . . . . . . . . . 47
5.5 Processos de Conversão para Geração de Energia [22] . . . . . . . . . 48
6.1 Dados de Bom Jesus da Lapa (retirada do SAM, 2017) . . . . . . . . 50
6.2 Curva de Saturação do Pentano (Feita pelo autor com dados do soft-
ware REFPROP, 2017) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
6.3 Radiação do Melhor dia e Radiação de Projeto em Bom Jesus da
Lapa (retirada do SAM e modi�cada pelo autor, 2017) . . . . . . . . 57
6.4 Dados para os Loops do Campo Solar (retirada SAM, 2017) . . . . . 58
6.5 Área Necessária para o Campo Solar (retirada do SAM, 2017) . . . . 59
6.6 Fluido de Trabalho Usado (retirada do SAM, 2017) . . . . . . . . . . 59
6.7 Termoacumulação do Usina (retirada do SAM, 2017) . . . . . . . . . 60
6.8 Energia Produzida pelo Campo Solar (retirada do SAM, 2017) . . . . 60
xii
Lista de Tabelas
3.1 Comparação entre ciclos Rankine orgânico e a vapor [7] . . . . . . . . 21
5.1 Densidades e Poderes Calorí�cos de Biomassa Florestal [21] . . . . . . 43
5.2 Poder Calorí�co de Resíduos Agrícolas [21] . . . . . . . . . . . . . . . 45
6.1 Tabela de Cálculo dos Pontos do Ciclo Rankine Orgânico (Feito pelo
autor, 2017) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
6.2 E�ciências do Ciclo (Feito pelo autor, 2017) . . . . . . . . . . . . . . 54
6.3 Dados de Propriedades Físicas, Produtividade e Custo da Jurema-
Preta [23] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
6.4 Produção de Energia Elétrica com base CSP por mês (retirada do
SAM, 2017) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
xiii
Capítulo 1
Introdução
O aquecimento global e a maior frequência de eventos naturais extremos chama-
ram a atenção da humanidade para o uso indiscriminado de recursos naturais que
tivemos desde a revolução industrial no século XVIII[24][25]. A partir desta época,
os combustíveis fósseis disponibilizaram uma enorme oferta de energia, que por sua
vez estimulou mais ainda o crescimento tecnológico e econômico, além da grande
melhora em qualidade de vida da população[26]. Com isso, houve também a criação
de novas atividades e serviços, cidades maiores foram surgindo e a demanda ener-
gética �cando cada vez mais alta. A solução rápida foi o consumo descontrolado
de recursos para a suprir a necessidade de energia elétrica, a nova força-motriz do
mundo[27]. Alguns recursos considerados não renováveis, por demorarem milhões de
anos para a reposição natural, como o petróleo e o carvão mineral, estão destinados
a acabar se continuarmos a extraí-los no ritmo acelerado em que estamos. Além de
não renováveis, quando usadas para obtenção de energia, são fontes altamente polu-
entes. Emitem para a atmosfera gases que resultam no efeito estufa e que devemos
reduzir para atenuar o avanço do aquecimento global[1].
1
Figura 1.1: Geração de Energia Elétrica no Mundo [1]
A partir desta preocupação, deu-se o início de investimentos pesados na área
de energias renováveis, que utilizam recursos pouco ou nada poluentes e de rápida
reposição na natureza, como o vento, luz solar, resíduos �orestais e agrícolas, etc.
Com o objetivo de diversi�car a matriz energética mundial, a �m de causar menos
danos ao meio ambiente, as fontes renováveis de energia têm ganhado muito espaço
ao longo dos últimos anos[28].
1.1 Motivação
Apesar da necessidade de diversi�carmos a matriz energética brasileira, algumas
fontes de energia renováveis, como solar e eólica, são intermitentes. Dependendo de
fatores climáticos elas podem em um dia ter resultados excelentes e no seguinte não
produzir quase nada, elas não garantem a segurança energética.
O propósito deste trabalho é dimensionar uma usina modelo que aproveite os be-
nefícios de diferentes fontes renováveis de energia, de forma que mantenham um for-
necimento estável de energia. Nele, será projetada uma usina híbrida de heliotérmica
com biomassa, com concentrador solar do tipo linear Fresnel e termoacumulação,
usando um sistema de backup com o consumo de biomassa �orestal, a jurema-preta.
A turbina que transforma a energia térmica em cinética rotativa, funcionará em um
Ciclo Rankine Orgânico, que usará uma substância orgânica, o pentano, ao invés
2
de vapor de água. As tecnologias e as razões pelas escolhas do tipo de usina he-
liotérmica, biomassa a ser queimada e �uido usado no ciclo termodinâmico, serão
explicadas nos capítulos seguintes.
1.2 Organização do Trabalho
Para melhor compreensão deste documento, o texto foi separado em 7 capítulos,
de acordo com seus temas. Neste primeiro capítulo, temos uma breve introdução
ao assunto de energia no mundo para a contextualização da leitura. No segundo,
iniciamos os estudos sobre energia solar. O terceiro trata de uma rápida introdução
à Termodinâmica para melhor entendimento do Ciclo Rankine Orgânico, também
presente no capítulo. No quarto capítulo são apresentadas as tecnologias mais impor-
tantes da Energia Solar Térmica Concentrada. No quinto, falamos sobre Biomassa,
suas particularidades e sobre o setor no Brasil. No sexto, desenvolveremos uma apli-
cação do uso das tecnologias anteriormente apresentadas, uma usina solar térmica
concentrada, com armazenamento térmico e sistema de backup usando biomassa de
jurema-preta, o acionamento do gerador de energia elétrica será através de uma tur-
bina de ciclo Rankine Orgânico usando pentano como �uido de trabalho. No sétimo
e último capítulo, discutimos os resultados e conclusões deste trabalho.
3
Capítulo 2
A Energia Solar
2.1 Introdução
A energia proveniente do Sol é, indiretamente, quem produz muitas outras formas
de energia no planeta. O vento, as ondas, muito se deve à energia solar. Ela não
dá apenas a possibilidade de vida na Terra, como é responsável também pelos ciclos
d'água da natureza.
Nossa espécie vem usando sua energia de diversas maneiras. Em suas formas
mais básicas e antigas, a usamos para iluminação, aquecimento, secagem, etc. Hoje
em dia, usamos na geração de energia elétrica em instalações heliotérmicas e foto-
voltaicas e até com refrigeração.
Neste capítulo serão apresentados aspectos da energia solar, radiação, potencial
de geração de energia e instrumentos de medição.
2.2 Radiação Solar
2.2.1 Radiação Solar Extraterrestre
A superfície do Sol emite cerca de 6,33 x 107 W/m2 que se espalha em todas as
direções do espaço ao seu redor[2]. Com cerca de 1,50 x 108 km de distância para
percorrer, a radiação que atravessa o espaço do Sol até nós chega com apenas 1.367
W/m2, uma minúscula parte do que o Sol produz, mas o su�ciente para a vida aqui.
4
Figura 2.1: Redução da Irradiação Solar devido à Distância [2]
Essa radiação é formada por diversas faixas do espectro eletromagnético. Dentre
estas faixas está a luz que vemos com nossos olhos, mas há também muitas outras
que são aproveitadas por nós.
2.2.2 Radiação Solar Terrestre
A radiação solar pode também ser classi�cada não só pelo seu comprimento de onda,
mas também de que direção e como ela chega na Terra.
Consideramos como radiação direta, a radiação que chega diretamente do Sol. A
trajetória das ondas eletromagnéticas não sofreu alterações consideráveis de direção
e chegam concentradas, é o que percebemos ao olharmos para o Sol, luz muito forte
para nossos olhos.
5
Figura 2.2: Radiação Solar Direta no Mundo [3]
A direção pela qual a radiação direta chega à Terra depende do movimento ao re-
dor do Sol. Nosso planeta descreve uma trajetória elíptica ao redor da estrela, em um
plano com inclinação de 23,5o com relação à linha do equador, aproximadamente[4].
Como consequência disso, quanto mais distante da Linha do Equador, maior a di-
ferença entre um dia de verão e um dia de inverno em certo lugar. Ao longo do
ano os ângulos que o Sol forma com a Terra vão mudando, causando diferenças de
posição no céu de um dia para outro. Assim, é muito importante que projetos de
aproveitamento de energia solar possuam rastreadores solares ou estejam inclinados
de forma que a radiação incida sobre eles da melhor forma possível, garantindo um
maior rendimento.
6
Figura 2.3: Órbita da Terra em torno do Sol [4]
A radiação difusa é a luz que vemos de todas as outras direções, que não vem
diretamente do Sol. Ela sofreu desvios antes de chegar ao seu destino, perdendo
assim sua concentração, mas vindo agora de diversas direções. Em dias bem nu-
blados, com o céu inteiramente coberto por nuvens, só temos a radiação difusa, por
exemplo.
Ao juntarmos os dois tipos de radiação, temos a radiação global. Em projetos
fotovoltaicos, por exemplo, é ela que deve ser considerada. Enquanto em usinas
heliotérmicas, somente a radiação direta nos interessa, devido aos princípios óticos
usados neste tipo de projeto.
2.3 Sistemas de Medição
Para medir a radiação solar a �m de desenvolver projetos de aproveitamento solar
para energia elétrica, podemos usar diferentes sensores dependendo de que tipo de
dados precisamos, se radiação global, difusa ou direta.
Usamos o piranômetro para medir a irradiância solar global. Ele consiste em
7
um conjunto de termopares conectados em série que, quando apresenta diferença
de temperatura entre as junções, cria uma força eletromotriz. Esta força é então
medida e representa a radiação global. Se a instalação do piranômetro for em uma
superfície horizontalmente plana, estaremos medindo a irradiância horizontal global
ou em inglês, como mais visto na literatura, global horizontal irradiance (GHI).
Figura 2.4: Piranômetro SR11 [5]
Para a medição da radiação difusa, utilizamos também piranômetros, mas agora
com equipamento que eclipsa a radiação direta. Usando um acessório que segue
a posição do sol, bloqueando-o, é possível obtermos apenas a radiação difusa. Na
�gura abaixo temos um exemplo de piranômetro para medição da radiação difusa.
8
Figura 2.5: Piranômetro com acessório para eclipse da Radiação Direta [6]
O pireliômetro serve para medirmos a radiação direta. Ele é, basicamente, um
piranômetro ao �nal de um tubo que permite a entrada da luz apenas pelo outro
lado do mesmo, permitindo apenas um ângulo limitado de entrada de irradiância.
Este equipamento precisa também de um rastreador, que mantenha-o apontando
para o Sol. Segue esquema na �gura abaixo.
Figura 2.6: Pireliômetro DR01 [5]
9
2.4 Potencial Solar Brasileiro
O potencial solar brasileiro é um dos melhores do mundo. Além de ter proporções
continentais, grande parte do território brasileiro está perto da Linha do Equador,
de maneira que ao longo do ano e dos dias não haja grandes variações de radiação.
O valor de incidência solar em qualquer região do Brasil é maior que na maioria dos
países da União Européia, como a Alemanha, a França e a Espanha, onde projetos
solares tem grandes incentivos governamentais e são amplamente difundidos[29].
Como a região Nordeste do Brasil é semiárida e bem próxima da latitude zero,
ela tem a área sob maior incidência solar, que varia entre 5.700 e 6.100 Wh/m2dia,
como podemos ver na Figura 2.10 a seguir. Este potencial está no nível dos melhores
do mundo, sendo comparável a desertos e áreas áridas como o Mojave, o Oriente
Médio e o Norte da África[30].
O local com a melhor radiação global do Brasil está localizado no norte da Bahia,
perto dos limites com o estado do Piauí, e possui uma máxima de 6,5kWh/m2dia[31].
É uma área com baixa precipitação ao longo do ano e possui a menor média anual
de cobertura de nuvens do país.
De acordo com o Presidente do Departamento Nacional de Aquecimento Solar
(Dasol) Amaurício Gomes, o uso do aquecimento solar em processos industriais
pode reduzir custos de energia em até 20%, número que pode chegar em 70% em
uso residencial[32]. No entanto, faltam políticas de incentivo.
10
Capítulo 3
Ciclo Rankine Orgânico
3.1 Introdução
O Ciclo Rankine Orgânico é, basicamente, uma modi�cação do Ciclo Rankine a
Vapor, utilizado em grande escala em usinas termelétricas em todo mundo há várias
décadas. A diferença principal entre eles é o �uido de trabalho empregado. No
lugar de vapor de água, utilizado no Rankine a Vapor tradicional, o Ciclo Rankine
Orgânico utiliza um �uido orgânico, do qual sai o seu nome. Apesar de diferen-
tes, apresentam a con�guração similar na estruturação de componentes e processos
termodinâmicos. Neste capítulo, faremos uma pequena revisão de Termodinâmica,
que será útil para melhor compreensão do trabalho, além de apresentar algumas
características do Ciclo Rankine Orgânico.
3.2 Revisão Teórica Termodinâmica
É importante a compreensão de alguns conceitos da termodinâmica para entender
melhor o funcionamento das usinas termelétricas. Logo, serão apresentadas aqui
propriedades termodinâmicas, as leis que regem a Termodinâmica e alguns ciclos
Termodinâmicos, dos quais se retira energia em forma de trabalho mecânico.
3.2.1 Propriedades Termodinâmicas
As propriedades termodinâmicas são as variáveis que de�nem o estado termodinâ-
mico de um sistema em um determinado instante do tempo, podendo de�nir um
11
valor em qualquer momento independente dos processos pelos quais o sistema pas-
sou. Consideramos intensivas as características não aditivas e que independem da
extensão do sistema, como a temperatura e a pressão, que podem variar dentro do
mesmo. Já as extensivas estão associadas ao sistema como um todo, sendo equiva-
lente à soma das partes da composição do sistema, como entropia, volume e energia.
Um sistema pode sofrer várias mudanças em seu estado termodinâmico ao longo
do tempo. Quando uma sucessão de processos ocorre de forma a voltar ao estado
inicial, dizemos que o sistema percorreu um ciclo termodinâmico. Esses ciclos são
o princípio de funcionamento das máquinas térmicas, que dentre seus usos está a
geração de energia elétrica em usinas termelétricas.
3.2.2 Leis da Termodinâmica
Lei Zero
A lei zero nomeia o estado de equilíbrio termodinâmico. O princípio básico de
que, dado um sistema completamente isolado, sem permitir trocas de energia com
o exterior, há um estado que, após transcorrido tempo para o regime permanente,
terá todas as suas grandezas termodinâmicas constantes. Quando o sistema atinge
esse estado, ele estará em equilíbrio termodinâmico.
A lei zero ainda diz que caso dois sistemas, A e B, cada um em seu estado de
equilíbrio, forem colocados um a um em contato com um sistema C também em
equilíbrio e veri�car-se que estes mantiveram seus estados de equilíbrio originais,
estes não estarão em equilíbrio apenas com C, mas também estarão entre si. Se
A = C e B = C, logo A = B. Se os três forem colocados em contato com uma
fronteira não restritiva entre elas, todos manterão seus estados originais.
Esta lei básica é o que possibilita a de�nição macroscópica de temperatura e
também a construção de termômetros.
Primeira Lei
A primeira lei da Termodinâmica é a do princípio de conservação de energia. De
acordo com ele, a energia não pode ser criada ou destruída, mas transformada de um
tipo para outro. Ela diz que a variação de energia total de um sistema é igual a soma
12
das trocas de energia realizadas entre ele e o meio externo na forma de transferência
de calor e de trabalho.
Ela de�ne a equivalência entre trabalho e calor trocados entre o sistema e seu
meio externo como variação de energia interna ao sistema. Desprezando a variação
de energia mecânca do sistema, podemos descrevê-la em uma equação da seguinte
forma:
∆U = Q−W (3.1)
Onde U é a energia interna do sistema, Q o calor e W o trabalho trocados com
o meio externo.
A energia interna é uma propriedade extensiva que indica fenômenos micros-
cópicos das partículas do sistema. Um corpo ao receber calor, eleva sua energia
interna.
O calor é o �uxo de energia que passa de um sistema de maior temperatura para
um de menor, ocorrendo exclusivamente por essa diferença entre as temperaturas.
Por convenção, o calor é positivo quando é recebido pelo sistema e negativo quando
extraído do sistema.
Trabalho é realizado pelo sistema quando o único efeito ao meio externo, ao
interagir com o sistema, é o movimento mecânico de alguma de suas partes. O
trabalho é positivo quando é realizado pelo sistema e negativo quando realizado
sobre o sistema.
Para a realização de trabalho em uma máquina térmica, é necessária a trans-
formação de energia térmica em energia mecânica. Para isso deve-se alimentar a
máquina constantemente com calor de alta qualidade, que realiza trabalho, e re-
jeitar calor a temperaturas mais baixas do outro lado, havendo um equilíbrio de
energia.
Segunda Lei
O estudo de termodinâmica permite determinar a direção natural de processos físicos
e químicos e suas condições de reversibilidade. A segunda lei introduz o conceito de
entropia, uma medida do grau de irreversibilidade de um processo termodinâmico.
13
Ao mudar de estado, um sistema sofre uma variação de entropia dada por:
∆S =
∫ f
i
δQ
T+1 S2,ger (3.2)
Onde i e f são os estados inicial e �nal, ∆Q é o aumento de energia térmica
transferida ao sistema fechado, T é a temperatura no contato onde há a troca, e
∆S é a variação de entropia no sistema. Existe ainda o termo 1S2,ger, produção de
entropia, sempre maior ou igual a zero, segundo a 2a Lei.
Em sistemas adiabáticos, sem trocas de calor com o meio externo, alguns pro-
cessos ocorrem em via única, sendo impossível voltar ao estado original. A entropia
de um sistema adiabático apenas aumenta ou se mantém constante, nunca diminui.
Se um processo causar o aumento de entropia, o estado original não poderá ser
resgatado, a menos que se viole a restrição adiabática imposta pela barreira.
A segunda lei estabelece um sentido para o tempo, em que os sistemas termodinâ-
micos sempre procuram o aumento da entropia. Apesar de na prática não existirem
processos completamente reversíveis, devido a perdas, o estudo é importante para a
compreensão de máquinas térmicas, que serão vistas a seguir.
3.2.3 Máquinas Térmicas
As máquinas térmicas são sistemas que usam energia térmica para a conversão em
trabalho mecânico através da transferência de calor de uma fonte quente para uma
fonte fria em uma operação chamada de ciclo termodinâmico. Em geral, quanto
maior a diferença de temperatura, maior a e�ciência do ciclo.
Existem muitos ciclos diferentes sob os quais máquinas térmicas podem operar.
Este capítulo tratará das três de maior importância para este trabalho, os ciclos de
Carnot, Stirling e Rankine.
Ciclo Carnot
É o ciclo executado por uma máquina de Carnot, idealizada pelo engenheiro francês
Nicolas Léonoard Sadi Carnot. Este é o ciclo mais e�ciente possível em uma máquina
térmica e sua e�ciência é função apenas de suas temperaturas de fonte quente (TH)
14
e fonte fria (TL).
ηCarnot = 1− TLTH
(3.3)
Ele consiste de quatro processos reversíveis, independente do �uido utilizado.
• Expansão Isentrópica Reversível, em que a temperatura do �uido de trabalho
diminui desde a temperatura da fonte quente até a do reservatório frio.
• Expansão Isotérmica Reversível, na qual o calor é rejeitado do �uido de trabalho
para uma fonte fria.
• Compressão Isentrópica Reversível, em que a temperatura do �uido de trabalho
aumenta desde a temperatura da fonte fria até a do reservatório quente.
• Compressão Isotérmica Reversível, na qual calor é transferido para o �uido a
partir de uma fonte quente, um reservatório a alta temperatura.
No entanto, este ciclo não é usado em máquinas térmicas reais, é apenas uma
idealização teórica. Ele é estudado para analisar a viabilidade de outros motores
térmicos já que sua e�ciência é a maior possível para qualquer máquina térmica.
Figura 3.1: Ciclo Carnot
Ciclo Stirling
É um ciclo termodinâmico que descreve o princípio de funcionamento de motores
Stirling, inventado, desenvolvido e patenteado pelo reverendo Robert Stirling com
a ajuda de seu irmão, um engenheiro. Este ciclo pode ser usado em motores apro-
veitando a concentração solar na tecnologia de Discos Parabólicos. O Ciclo Stirling
Ideal é um ciclo fechado que se parece com o ciclo de Carnot, possuindo também
um alto rendimento.
15
É composto de quatro processos:
• Expansão Isotérmica, na qual a fonte de calor externa fornece calor ao �uido
de trabalho enquanto ele se expande a uma temperatura constante.
• Resfriamento Isovolumétrico, no qual o calor é retirado do �uido pela fonte
fria.
• Compressão isotérmica, no qual o �uido é refrigerado enquanto seu volume
diminui para que sua temperatura não aumente.
• Aquecimento Isovolumétrico, no qual o calor é adicionado ao �uido pela fonte
quente.
Figura 3.2: Ciclo Stirling
Ciclo Rankine
É neste ciclo termodinâmico em que se baseia o ciclo Rankine Orgânico que será
estudado neste trabalho. Este ciclo é o mais utilizado para a geração de energia
elétrica, podendo usar como fonte de calor a combustão de qualquer hidrocarboneto
ou o aquecimento solar. Ele tem o nome de seu descobridor William John Macquorn
Rankine, um professor da Universidade de Glasgow.
O �uido de trabalho geralmente utilizado é a água, que ao longo do ciclo é
evaporada e condensada. Os seguintes processos acontecem idealmente da seguinte
forma no Ciclo Rankine simples:
• Expansão Adiabática Reversível, em que o �uido passa por uma turbina para
geral trabalho. A temperatura e pressão diminuem neste passo.
16
• Condensação Isobárica, em que o �uido é resfriado até condição de líquido
saturado. Então o ciclo se repete.
• Compressão adiabática reversível, em que o �uido é bombeado de uma pressão
baixa para uma mais alta.
• Evaporação Isobárica, em que o �uido é aquecido e evaporado numa caldeira
a uma pressão constante.
Figura 3.3: Ciclo Rankine
Na realidade, nenhum destes processos são realmente adiabáticos reversíveis, pois
sempre há perda de calor, por menor que seja. Existem algumas variações deste ciclo
com processos a mais, como o superaquecimento ou a regeneração de calor, que,
além de ajudar na prevenção da condensação indesejada, aumentam a e�ciência do
sistema ao recuperar perdas exergéticas. Porém o princípio de funcionamento é o
mesmo.
17
Figura 3.4: Ciclo Rankine Superaquecido
3.3 Comparação entre Ciclo Rankine Orgânico e Ci-
clo Rankine Vapor
O uso do Ciclo Rankine Orgânico (CRO) apresenta algumas vantagens e desvanta-
gens quando comparado com o convencional, fazendo com que ele seja interessante
dependendo das condições de instalações. O fato de utilizar �uidos diferentes da
água traz as seguintes vantagens e desvantagens:
• Temperatura de evaporação:
A menor temperatura de ebulição dos �uidos orgânicos permite o uso de tem-
peraturas mais baixas para seu aproveitamento, aumentando as possibilidades de
fontes de calor para aquecê-lo.
• Superaquecimento:
Devido à sua curva de Molier diferente da curva da água, o vapor orgânico
mantém-se sobreaquecido na saída da turbina, eliminando a necessidade de supera-
quecer o �uido antes de sua expansão. Esta propriedade também elimina os proble-
mas de erosão nas pás da turbina, o que aumenta sua vida útil consideravelmente[33].
• Temperatura e pressão na entrada da turbina:
Ao usar �uidos orgânicos no ciclo Rankine, estamos reduzindo a temperatura e
pressão de entrada dos �uidos na turbina, que é muito alta no ciclo a vapor, devido ao
superaquecimento. Essa redução de temperatura e, consequentemente, pressão faz
18
com que a caldeira e as pás da turbina sejam muito menos exigidas mecanicamente,
causando um custo menor de instalações.
• Design da turbina:
A variação de entalpia e razão de expansão nas turbinas do ciclo a vapor são
elevadas, causando o uso de múltiplos estágios em uma turbina. Já no CRO, a
diferença de entalpia do �uido orgânico é consideravelmente mais baixa, podendo
usar turbinas de simples ou de duplo estágio. Devido a essa maior simplicidade,
pode-se acoplar a turbina diretamente ao gerador, tirando a necessidade de caixas
de redução, o que aumenta a e�ciência, reduz custos e tamanho do equipamento[7].
• Consumo da bomba:
A diferença de entalpia para diferentes temperaturas de �uidos orgânicos é menor
do que a da água, fazendo que a vazão mássica de �uido para uma mesma potência
térmica seja maior. Devido a esse aumento de carga, a bomba requer um consumo
maior de energia.
• Pressão na caldeira:
Como as temperaturas do �uido orgânico não precisam ser tão elevadas, a pressão
também não se eleva tanto em caldeiras utilizadas no CRO. Ao invés de chegar a
60 ou 70 bar, como em ciclos convencionais, o �uido orgânico não excede os 30 bar,
diminuindo os requisitos do projeto e, logo, seus custos[8].
• E�ciência:
Apesar de muitas vantagens do CRO, sua e�ciência é baixa se comparada ao
ciclo a vapor tradicional. Seu rendimento não passa dos 24%, enquanto o ciclo a
vapor normalmente ultrapassa os 30%[8].
19
Figura 3.5: E�ciência de Diferentes Ciclos [7]
• Características do �uido:
O uso da água ao invés de �uido orgânico, para aplicação no ciclo Rankine, é
muito mais conveniente. A água é um �uido que apresenta altíssima disponibilidade,
não é tóxico, in�amável ou nocivo para o meio ambiente e possui baixa viscosidade
além de ser estável quimicamente. Muitos dos �uidos orgânicos são in�amáveis e
requerem cuidados especiais para transporte e uso seguro.
3.3.1 Resumo Comparativo
O CRO apresenta muitas vantagens em comparação com o convencional para usinas
de baixa e média potência, usualmente menores do que 3 MW. Para potências e
capacidades maiores, o ciclo a vapor se mostra mais vantajoso, principalmente por
sua alta e�ciência.
20
Tabela 3.1: Comparação entre ciclos Rankine orgânico e a vapor [7]
Vantagens CRO Vantagens Ciclo a Vapor
Trabalho com fontes a menores temperaturas Fluido mais conveniente
Ausência de superaquecimento Menor consumo na bomba
Baixa temperatura na turbina Maior e�ciência
Design da turbina mais simple
Menor custo
Menor pressão na caldeira
Melhor relação tamanho/peso
3.4 Fluido de Trabalho
A principal característica de um ciclo Rankine Orgânico é o uso de um composto
orgânico como �uido de trabalho. Este �uido orgânico é o nome dado a substâncias
baseadas no carbono, muito encontrada nos seres vivos em nosso planeta, por isso
orgânicas.
Esta denominação se dá a uma grande variedade de substâncias com propriedades
muito diferentes entre si. Para aplicações em CRO, são consideradas principalmente
refrigerantes. Eles são �uidos empregados em ciclos termodinâmicos com o objetivo
de transferir calor e os mais utilizados são os �uorcarbonetos e os hidrocarbonetos,
entre outros.
O desempenho e características do Ciclo Rankine Orgânico são condicionados
pela escolha de �uido de trabalho, principal fator de sucesso deste tipo de ciclo. A
escolha do �uido torna-se, então, de extrema importância para o aproveitamento do
CRO. Queremos que a escolha do �uido nos proporcione o melhor rendimento da
energia térmica, levando em conta as outras condições disponíveis, como tempera-
turas de fontes quente e fria, potência da bomba, etc.
21
3.5 Propriedades Termofísicas
O principal motivo da escolha de um �uido orgânico em um ciclo termodinâmico é
a combinação de suas propriedades termofísicas, que afetam o rendimento do ciclo.
Quanto aos tipos de curva de vapor saturado segundo a variação de temperatura e
entropia num grá�co T x s, podemos classi�car três categorias de �uido:
Figura 3.6: Diagrama dos tipos de Curvas de Saturação [7]
• Fluido Isentrópico: com derivada dT/ds in�nita, ao expandirmos o vapor ao
longo de uma linha vertical, expansão isentrópica, o vapor permanece saturado até
a saída da turbina, sem ocorrer condensação.
• Fluido Úmido: com derivada dt/ds negativa, a expansão ocorre na zona de
vapor saturado, necessitando o sobreaquecimento para não ocorrer condensação na
turbina, como ocorre nos ciclos Rankine vapor que são movidos a água, um �uido
úmido.
• Fluido Seco: com derivada dT/ds positiva, após a expansão isentrópica o �uido
se encontra sobreaquecido. O uso deste �uido não oferece riscos de erosão devido à
condensação.
A �gura abaixo apresenta diferentes �uidos e suas curvas de saturação.
22
Figura 3.7: Curvas de Saturação para algumas substâncias: Refrigerantes R123,
R134a e R245fa são �uidos isentrópicos; Tolueno, Heptano e Pentano são �uidos
secos, Água é �uido úmido [8]
Outra característica importante é a massa especí�ca do �uido de trabalho, prin-
cipalmente para �uidos com baixa pressão de vapor. Um �uido de baixa densidade
exigiria uma grande vazão volumétrica, gerando fortes perdas de carga nos trocado-
res de calor e aumento no tamanho e custos da máquina. Já uma viscosidade baixa
nas duas fases é fundamental para reduzir o atrito e otimizar as trocas de calor no
ciclo.
Fluidos orgânicos apresentam, em geral, problemas a altas temperaturas, em que
eles se decompõem ou deterioram. Devemos escolher então um �uido que suporte
as temperaturas e pressões de operação em todos os processos do ciclo. Além disso,
a substância orgânica deve manter-se �uida nas temperaturas mais baixas do ciclo,
na temperatura ambiente, para evitar o congelamento do mesmo.
23
3.6 Con�gurações do Ciclo Rankine Orgânico
O Ciclo Rankine Orgânico é muito similar ao Rankine convencional. Como apresen-
tado anteriormente, os processos acontecem da seguinte forma:
O �uido de trabalho é evaporado no evaporador com calor de uma fonte quente.
Logo após, realiza-se uma expansão na turbina, em que temos a conversão em traba-
lho mecânico, que é convertido em energia elétrica através de um gerador acoplado
à turbina. Em sequida, o �uido é resfriado no condensador perdendo calor para a
fonte fria até se obter líquido saturado. Em fase líquida, uma bomba eleva a pressão
do líquido e envia-o ao evaporador, onde reiniciamos o ciclo.
Figura 3.8: Con�guração do Ciclo Rankine Orgânico [9]
Existem algumas variações desta con�guração básica de CRO, porém não tantas
como para o ciclo Rankine tradicional, devido a não haver necessidade de sobreaque-
cimento do �uido na expansão. Uma das modi�cações mais comuns é o uso de um
recuperador de calor entre as saídas da bomba e da turbina, que permite reduzir a
quantidade de calor necessária para a evaporação do �uido orgânico no evaporador.
O �uido após passar da bomba entra no recuperador, que o aquece usando calor
recuperado do vapor que saiu da turbina. Ele é pré-aquecido e então encaminhado
ao evaporador. A �gura a seguir ilustra esta con�guração.
24
Figura 3.9: Con�guração do Ciclo Rankine Orgânico Regenerativo [9]
25
Capítulo 4
Energia Solar Térmica Concentrada
4.1 Introdução
Existem diversas maneiras de aproveitarmos a energia solar para uso em nossas ta-
refas diárias, porém existem tecnologias que conseguem utilizá-la transformando-a
em outra que vem se mostrando cada vez mais importante em nossa civilização, a
energia elétrica. Podemos separar aqui as tecnologias que vêm conquistando maior
espaço no mundo: A tecnologia heliotérmica e a fotovoltaica. A energia solar foto-
voltaica usa princípios do efeito fotovoltaico, transformando a luz diretamente em
potencial elétrico. Já a energia solar heliotérmica, também conhecida como Con-
centrated Solar Power (CSP)[34], produz energia elétrica indiretamente, usando a
luz do Sol concentrada para gerar calor que posteriormente é usado para a produção
de energia cinética em uma turbina, como termelétricas convencionais, ou motor
que dá força a um gerador elétrico. Como o escopo deste trabalho é a energia solar
térmica, introduziremos neste capítulo as tecnologias mais conhecidas e utilizadas
deste tipo no mundo.
A energia solar concentrada está em sua infância se considerarmos outras fontes
renováveis de energia, tendo apenas 5 GW instalados no mundo ao �nal de 2015[35].
No entanto, ela está crescendo e vendo seus custos se reduzirem devido ao constante
desenvolvimento na área.
Apesar de os recursos solares globais serem equilibradamente distribuídos, as tec-
nologias CSP requerem quantidades mínimas de radiação direta, atualmente maiores
que 2.000 kWh/m2ano, para serem economicamente viáveis[34]. O potencial de ge-
26
ração e sua competitividade vão depender muito de fatores meteorológicos, como
umidade e nuvens no céu, e fatores ambientais, como poluição e poeira. Assim,
usinas heliotérmicas normalmente estão em regiões isoladas, áridas e ensolaradas,
como desertos. Em todos os casos, devemos ter um cuidado especial com a limpeza
dos re�etores, fator que in�uencia muito a re�etividade e logo a e�ciência solar.
As tecnologias CSP geralmente usam espelhos para concentrar radiação solar
e podem ser divididas em dois grupos, com base no tipo de foco que seus espelhos
possuem, foco em linha ou foco em ponto. As de foco em linha incluem as tecnologias
de calha parabólica e linear Fresnel. Estas utilizam sistemas rastreadores que giram
em um eixo. As de foco em ponto utilizam sistemas seguidores de dois eixos e são
a torre de receptor central e o disco parabólico[36]. A seguir serão apresentadas as
tecnologias mais usuais:
4.2 Cilindro Parabólico
A tecnologia que ainda domina no total de capacidade instalada é a de concentra-
dores cilindro-parabólicos, cerca de 90% do mercado até 2010[34]. Ela consiste de
espelhos coletores solares, tubos para recepção do calor, �uido para transferência de
calor, trocadores de calor, uma turbina ciclo Rankine a vapor d'água e um gerador.
Além disso, ela possui um sistema rastreador (tracking) de um eixo para alinhar o
foco do espelho com a direção do sol.
Não é coincidência que esta tecnologia seja a mais desenvolvida mundo a fora, ela
possui a experiência acumulada de anos de operação das usinas SEGS, construídas
no deserto do Mojave, na Califórnia, nos anos 80[37]. Este complexo consistia
de 9 usinas de cilindro parabólico que ao longo dos anos acumularam milhares de
horas de operação e com isso impulsionaram a tecnologia até seu estado atual.
O mesmo não aconteceu com outras tecnologias solar térmicas para a geração de
eletricidade, criando assim uma maior con�ança de investidores na tecnologia dos
cilindros parabólicos.
A orientação das calhas pode ser Norte-Sul ou Leste-Oeste dependendo da curva
de potência desejada. A Norte-Sul nos dá uma melhor produção de energia anual,
enquanto a Leste-Oeste nos dá uma maior geração ao meio-dia. Próximo à Linha do
27
Equador, a orientação N-S performa melhor, já que a latitude não interfere muito.
4.2.1 Concentradores Cilindro-Parabólicos
Os espelhos usados neste tipo de coletor são curvos na forma de uma parábola,
que faz com que toda luz que incide perpendicularmente ao plano do espelho re�ita
para o foco da parábola, onde se encontra o tubo receptor que será aquecido pela
irradiação concentrada. Esses espelhos, que tem em média 6 metros de altura e 12
de comprimento cada, são organizados em dezenas ou centenas de �leiras paralelas
para absorver a energia térmica[38].
Figura 4.1: Calha Parabólica [10]
4.2.2 Tubos Receptores
Estes tubos são �xados no foco do espelho parabólico e recebem a luz do Sol con-
centrada, absorvendo-a em forma de energia térmica. Eles são formados por dois
tubos concêntricos com vácuo entre os dois. O de fora é feito de vidro com camada
de antirre�exo, para permitir a passagem da luz sem muitas perdas. O de dentro
é de aço com revestimento preto para absorver a energia da luz e por dentro dele
passa o �uido para transferência de calor, o �uido de trabalho. O vácuo serve para
impedir as perdas de calor do sistema para o ambiente por convecção, já que são
quilômetros de tubos expostos ao ambiente.
28
Figura 4.2: Tubo Receptor ([11]
4.2.3 Fluido de Transferência de Calor
Os �uidos usados em usinas termossolares que passam por dentro do tubo de aço
possuem alta capacidade térmica, para mais efetivamente transferir o calor sem
perder suas características físico-químicas. Quanto mais altas as temperaturas que
o �uido suportar, maior a diferença de temperatura entre a fonte quente e a fonte fria
do sistema e melhor a e�ciência da conversão da energia térmica para a elétrica, como
vimos no capítulo anterior. Alguns dos �uidos utilizados são óleos minerais, vapor
d'água e misturas de sais fundidos. A escolha deste �uido será feita considerando,
primeiramente, a temperatura máxima de operação deste sistema.
4.2.4 Rastreamento
Durante o dia, o Sol vai atravessando o céu, movimentando-se lentamente para fora
do foco da calha parabólica. Para acompanhar sempre a direção correta, os espelhos
precisam estar acoplados a um equipamento de rastreamento.
O rastreador para a tecnologia de espelhos cilíndricos parabólicos serve para
alinhar a radiação direta com o foco da parábola e só necessita de movimento em
um eixo, que gira os espelhos em torno de seu suporte, como na �gura abaixo:
29
Figura 4.3: Rastreamento ao Longo do Dia [12]
4.3 Concentradores Lineares Fresnel
Similares em seu funcionamento aos coletores cilindro-parabólicos, mas usando uma
série de espelhos longos e planos ou levemente curvos, cada um com um ângulo
diferente em cada lado do receptor, os re�etores lineares Fresnel vêm sendo experi-
mentados a �m de diminuir os custos das usinas CSP. A facilidade de produção de
espelhos planos e menor complexidade do sistema, usando vários espelhos menores
separados, permite que as estruturas sejam mais leves, simples e baratas. O recep-
tor é �xado poucos metros acima dos re�etores e normalmente possui um re�etor
secundário ou outros tubos paralelos para melhor aproveitamento da radiação, já
que os espelhos planos não concentram tão bem a radiação direta no foco. Devido à
pior e�ciência solar, porém custos mais baixos, se compararmos com a tecnologia de
cilindros parabólicos, ainda não há uma vantagem clara de qual a melhor tecnologia
neste estágio de desenvolvimento.
30
Figura 4.4: Sistema CSP Linear Fresnel [13]
4.3.1 Re�etores
Tentando aplicar o mesmo princípio da tecnologia do concentrador parabólico, os es-
pelhos planos ou levemente curvos simulam uma parábola para concentrar a radiação
direta no receptor, porém a linha focal �ca distorcida. Com isso, a e�ciência ótica
do sistema é pior, reduzindo a temperatura �nal do �uido de trabalho se comparado
ao sistema de cilindro parabólico. Cada re�etor possui um sistema de rastreamento
de eixo único.
4.3.2 Receptor
Os receptores da tecnologia linear Fresnel são semelhantes ao de calhas parabólicas,
com a diferença de possuir um re�etor secundário acoplado ou mais tubos escuros,
para aproveitar a luz mal re�etida, devido à distorção do foco. São instalados alguns
metros acima dos re�etores, para conseguir coletar luz de uma área considerável, mas
não tão alto para não perder mais e�ciência ótica, que já é comprometida devido à
qualidade dos espelhos.
31
Figura 4.5: Re�etor Secundário CSP Linear Fresnel [14]
4.3.3 Fluido de Transferência de Calor
Assim como a tecnologia de cilindros parabólicos, um sistema que usa re�etores do
tipo linear Fresnel, necessita de um �uido de trabalho passando por dentro do tubo
interno do receptor. Em geral, as temperaturas consideradas são menores no caso de
coletores Fresnel, mas usa-se o mesmo critério de temperatura máxima de operação
para a escolha do �uido de transferência de calor, sendo a água o mais usual neste
caso.
4.4 Torre de Receptor Central
Uma torre de receptor central usa um campo com espelhos, chamados heliostatos,
que seguem o sol individualmente, usando rastreadores de dois eixos, para focar a
radiação direta em um ponto no receptor montado no alto de uma torre central. O
calor produzido no receptor é então levado até uma turbina, normalmente operando
um ciclo Rankine vapor, acoplada a um gerador para a produção de energia elétrica.
No receptor da torre, a concentração de luz é muito maior do que o das tecnologias
de foco em linha. Além disso, não há a necessidade de o �uido circular por quilôme-
tros de tubos trocando calor com o ambiente. Logo, esta tecnologia pode chegar a
temperaturas muito mais elevadas, até mais de 1.000oC. É a mais promissora dentre
as usinas CSP devido ao potencial de aproveitamento destas altas temperaturas.
O grande desa�o é encontrar �uidos de trabalho que consigam trabalhar a tempe-
32
raturas superiores sem perder suas qualidades físico-químicas ou comprometer os
equipamentos do sistema[39].
Figura 4.6: Sistema CSP Torre Solar [14]
4.4.1 Heliostato
O heliostato tem como função re�etir a radiação direta do sol em direção ao receptor
da torre e é composto por um ou mais espelhos montados sobre uma estrutura
�xada ao solo que permite o movimento do re�etor para acompanhar o curso do Sol.
Geralmente são usados espelhos de vidro, mas outros tipos de re�etores estão sendo
desenvolvidos, como membranas esticadas, a �m de diminuir custos com suporte e
permitem a reciclagem. O tamanho de heliostatos pode variar, porém o mais usual
é vermos conjuntos de espelhos retangulares com mais de 100 metros quadrados de
área no total[39]. O sistema de controle deve levar em consideração a posição de
cada heliostato em relação à torre central e ajustá-los individualmente, diferente dos
outros tipos de CSP, que podem repetir con�gurações de um re�etor ao outro dentro
de um mesmo projeto. Deve-se tomar um cuidado especial na presença de ventos
fortes. Nestes casos devemos adotar a posição de Stow, medida de segurança em
que os re�etores dos heliostatos �cam paralelos ao solo, evitando esforços mecânicos
nas estruturas dos suportes e nos próprios espelhos[2].
33
Figura 4.7: Heliostato CSP Torre Solar [12]
4.4.2 Receptor
A torre central pode ser construída com aço ou concreto e ter alturas de até 165
metros, dependendo das distâncias dos heliostatos à torre[2]. Ela serve basicamente
para ser o suporte do receptor, que deve estar elevado para evitar o bloqueio da
re�exão de um heliostato por outro. Este receptor pode ser um receptor externo
ou um receptor de cavidade[2]. O primeiro consiste de painéis planos, cilíndricos ou
semi-cilíndricos que recebem a luz solar, transformando-a em energia térmica. Este
deve ter área reduzida para evitar grandes trocas de calor com o ambiente. Já os de
cavidade, com o objetivo de reduzir perdas por convecção, têm uma abertura que
permite a entrada da luz em uma cavidade e dentro dela a radiação chega ao receptor.
Recentemente, com o avanço desta tecnologia CSP, tem-se usado material refratário
nos receptores de torre central, por poder ser submetido a altíssimas temperaturas
sem se degradar, tornando possíveis maiores temperaturas de operação[40].
34
Figura 4.8: Receptor CSP Torre Solar [15]
4.4.3 Fluido de Transferência de Calor
Os dois �uidos de trabalho mais usados neste tipo de usina são os sais fundidos e
vapor direto, que aguentam maior calor, proporcionado por temperaturas superiores
a 1.000oC no receptor. Os sais suportam altas temperaturas de operação, de cerca
de 550oC, e são ótimos para armazenamento de energia térmica devido ao baixo
custo e alta capacidade térmica[41]. Já o vapor direto pode também ser usado a
altas temperaturas e pode ser diretamente utilizado para acionar a turbina, evitando
o uso de mais um trocador de calor para geração de vapor.
4.5 Discos Parabólicos
Discos parabólicos re�etem toda a luz solar direta que incide sobre eles em um
ponto focal. Esta tecnologia tem grande poder de concentração de radiação, per-
mitindo temperaturas de operação superiores a 750oC e aumentando sua e�ciência
térmica[36]. Estes discos possuem em sua estrutura um rastreador de dois eixos
para mantê-lo sempre virado para o Sol. Eles têm natureza modular, pois são in-
dependentes uns dos outros ao terem seus próprios motores Stirling, o que permite
menores perdas térmicas e usinas de pequena escala. Também é possível transfe-
rir calor para um sistema central de geração, porém este caso é menos utilizado.
O disco parabólico ainda é uma tecnologia muito pouco desenvolvida se comparada
35
com outras CSP e a falta de um �uido de trabalho circulante di�culta a hibridização
de ou integração de armazenamento térmico deste tipo de usina.
Figura 4.9: Discos Parabólicos com motor Stirling [16]
4.5.1 Motor Stirling
O ciclo termodinâmico Stirling, estudado no capítulo anterior, é usado no motor
acoplado ao receptor do disco parabólico. Este motor tem como fonte quente o
receptor da luz concentrada e como fonte fria o ambiente, usando um sistema de
exaustão para a atmosfera.
4.6 Termoacumulação e Múltiplo Solar
O múltiplo solar (MS) é um fator importantíssimo em um projeto de CSP, princi-
palmente se desejamos usar o armazenamento de energia térmica. Ele é o quociente
entre a área de espelhos na usina sobre a área de espelhos necessário para que,
com irradiação de projeto, o bloco de potência esteja funcionando em sua carga
nominal[30], MS=1. Mesmo para usinas sem termoacumulação, o mais comum é
usar múltiplos solares de 1,2 a 1,4, para garantir o funcionamento da usina em carga
nominal por mais tempo, aumentando o fator de capacidade, mesmo com perdas
de calor entre o bloco solar e o bloco de potência. O excesso de energia é descar-
tado, porém os custos dos espelhos a mais são compensados pela maior geração de
eletricidade.
36
A tecnologia solar térmica permite o armazenamento de energia térmica exce-
dente gerada com a luz solar. A termoacumulação está se tornando cada vez mais
comum em usinas do tipo CSP por aumentar a �exibilidade e capacidade de despacho
de energia[36]. Com ela, é possível a geração de energia durante a noite ou em dias
nublados, sem radiação direta. Aquecendo �uidos de alta capacidade térmica, como
os sais fundidos, e armazenando-os em tanques, podemos guardar energia térmica
para gerar eletricidade apenas quando necessário ou mais lucrativo. Para acumular-
mos energia térmica sem tirar potência da usina em operação, devemos estabelecer
múltiplos solares maiores do que os sistemas sem termoacumulação, captando mais
calor. O armazenamento é medido em horas de operação à carga total que a energia
térmica guardada consegue suprir. Quanto mais horas ela suporta, maior deve ser
o múltiplo solar, podendo chegar a números superiores a 3 com armazenamentos
acima de 12 horas[42]. Investimentos costumam ser maiores quando se deseja ter
termoacumulação na usina, porém ela permite um maior fator de capacidade, maior
controle de despacho e, normalmente, menor custo de energia.
Estes sistemas podem variar de tecnologia, podendo usar apenas um tanque com
efeito termoclina ou 2 tanques, um frio e um quente. O armazenamento pode ser
direto, usando o mesmo �uido para armazenamento e operação, ou indireto, usando
diferentes �uidos[42].
Figura 4.10: Termoacumulação com Sal Fundido [17]
37
4.7 Plantas Híbridas
É possível combinar uma usina heliotérmica com outras tecnologias de geração de
energia. O compartilhamento do bloco de potência seria uma boa escolha para
diminuir custos de produção.
Usinas do tipo ISCC (Integrated Solar Combined Cycle)[30], ou seja, usinas
termelétricas a gás natural de ciclo combinado integrada a usinas solar térmicas, já
existem em operação e têm vapor aquecido pelo Sol adicionado ao seu ciclo Rankine.
Através da integração da CSP com uma usina já existente ou nova planta, podemos
fornecer energia extra à turbina a vapor ou economizar um pouco de combustível,
utilizando o calor solar para diminuir emissões por energia produzida. Infelizmente,
devido às grandes áreas necessárias para a instalação de usinas solares, a fração da
energia solar no total da ISCC é normalmente bem pequena.
Outras fontes de energia também podem se hibridizar com a tecnologia solar.
Uma termelétrica que use combustão de biomassa para aquecer água em uma cal-
deira pode ser facilmente integrada a uma usina solar térmica. Neste híbrido, o
vapor aquecido pelo Sol seria adicionado ao vapor obtido na caldeira a biomassa
para acionar a turbina a vapor que pode ser compartilhada pelas duas fontes. Isso
permitiria con�gurações de despacho de energia mais �exíveis, que não dependes-
sem completamente do clima. Podemos usar energia solar durante o dia, a energia
térmica excedente armazenado na tarde e noite e a combustão de biomassa na ma-
drugada até o sol aparecer novamente, por exemplo. Em dias sem radiação direta
forte, dependeríamos apenas de biomassa e da termoacumulação.
38
Capítulo 5
Biomassa
5.1 Introdução
Em termos energéticos, a biomassa pode ser considerada como qualquer matéria
orgânica de origem animal ou vegetal que possa ser utilizada na produção de energia.
No entanto, outras formas de biomassa também foram ganhando ênfase nos meados
do século passado. Este tipo de fonte tem como grande vantagem a combustão
direta em fornos e caldeiras com pouco impacto ambiental. Contudo, sua e�ciência
é reduzida se comparada a outros tipos de conversão de energia.
A biomassa entrou no mercado de energia elétrica por ser considerada uma fonte
renovável, pois o ciclo de vida das plantas é relativamente curto, e limpa, pois du-
rante seu crescimento a planta absorve o CO2 que será liberado mais tarde. Ela
passou a ser considerada uma boa alternativa para a diversi�cação da matriz ener-
gética mundial e passou a atrair o interesse de desenvolvedores. A biomassa ainda
tem uma parcela pequena do consumo energético mundial, mas a tendência é de
crescimento[18].
39
Figura 5.1: Geração de Eletricidade por Fonte [18]
A biomassa para produção de energia pode ser classi�cada em 3 tipos. A bi-
omassa energética �orestal, que utiliza produtos, subprodutos e resíduos proveni-
entes de atividade extrativista. A biomassa energética agrícola, da qual faz parte
a produção agro-energética, como produção de álcool, e subprodutos e resíduos da
agricultura. Por �m, temos a biomassa energética de rejeitos urbanos e industriais,
o lixo e o esgoto, que também podem ser aproveitados.
5.2 Biomassa no Brasil
A biomassa tem ganhado espaço ao longo das últimas décadas e tendo cada vez
mais importância entre as diversas fontes de geração de eletricidade no Brasil, sendo
essencial para a diversi�cação da matriz energética brasileira com energia limpa e
sustentável[19].
40
Figura 5.2: Geração de Eletricidade por Fonte no Brasil [19]
Devido às dimensões continentais de nosso país, temos um potencial gigantesco
para o uso e cultivo da biomassa. Além disso, foram desenvolvidos programas de in-
centivo ao uso e�ciente de sistemas de pirólise, gasei�cação e combustão de biomassa,
recebendo investimentos do Banco Nacional do Desenvolvimento (BNDES) e Fundo
de Energia Sustentável e Mudança Climática (Fundo SECCI), entre outros[43][44].
Apesar de existirem muitas fontes de biomassa utilizáveis para a geração de eletri-
cidade, não são todas economicamente viáveis. Tornam-se úteis apenas as biomassas
produzidas em escala comercial, que acabam recebendo os maiores investimentos e
incentivos para se desenvolver como fonte alternativa para a produção de energia
elétrica. São então as com pesquisas e tecnologia mais avançada para exploração.
No Brasil, a produção agrícola e grandes �orestas permitem uma grande gama de
biomassas para geração de eletricidade, porém as principais, amplamente utilizadas
em usinas termelétricas, são[22][45]:
• Lenha, carvão vegetal, lixívia negra e resíduos de madeira como biomassa de
origem �orestal;
• Palha e bagaço da cana-de-açúcar, palha e casca de arroz e capim-elefante
provenientes da agricultura;
• E rejeitos urbanos e industriais, líquidos e sólidos.
41
5.2.1 Biomassa de Origem Florestal
O Brasil tem um grande potencial para a produção de energia elétrica a partir da
biomassa �orestal, já que ela pode ser cultivada em várias partes do país. Este
tipo de fonte tem um balanço nulo no efeito estufa quando usada e também ajuda
a reduzir as emissões de gás metano causado pela decomposição dos resíduos não
usados. A área ocupada por plantios �orestais de Eucalipto e Pinus no Brasil em
2012 totalizou 6.664.812 hectares, sendo 23,4% correspondente à área de plantios de
Pinus e 76,6% aos plantios de Eucalipto[46].
• Lenha e Carvão Vegetal:
A lenha pode ser dividida em dois tipos: a lenha catada e a lenha produzida para
�ns comerciais. A lenha catada é a lenha proveniente das matas nativas, que pare-
cem inesgotáveis, mas quando exploradas de forma predatória aparecem problemas
ambientais críticos, como degradação do solo, deserti�cação e alteração no regime
de chuvas. A lenha produzida para �ns comerciais é a lenha de re�orestamento,
plantadas após a retirada da mata nativa.
A produção de lenha de �orestas plantadas para uso industrial cresceu ao ano
cerca de 4,5% entre 2002 e 2012, segundo a Associação Brasileira de Produtores de
Florestas Plantadas[46]. A produção de toras de madeira foi da ordem de 193,29
milhões de m3 em 2012. Disso, 67,4% foi destinado ao uso industrial, 28,9% para
produção de lenha e 4,3% para a produção de carvão. Ainda de acordo com a
ABRAF, a capacidade de produção sustentável das �orestas do Brasil é de 390
milhões de m3/ano[46].
• Resíduos de Madeira e Licor Negro:
Na extração de madeira para a indústria de papel, de móveis e na construção civil
há uma grande geração de resíduo. Partes das árvores que não são aproveitadas,
como galhos, raízes, casca, tronco e copa são deixados na �oresta. Em plantações de
eucalipto e pinus, cerca de 22 e 28% do peso total da árvore vira resíduo �orestal, uma
parcela considerável (BBER,2007). Outra forma de gerar resíduo é o processamento
das toras de madeira em placas, barras, entre outros, onde os resíduos �cam em
torno de 40%[47]. E depois ainda recebem cortes e acabamento ao chegar em seus
destinos �nais, nas confecções de móveis, imóveis, etc. A utilização desses resíduos
de madeira, além de dar um �m adequado ao material, tem muitas vantagens, como
42
o custo baixo, a não emissão de enxofre, a renovabilidade e o balanço nulo de gases
estufa.
Outra fonte de biomassa muito usada como combustível é o licor negro, também
chamado de lixívia negra. Ele é um resíduo de processos químicos da indústria de
papel e celulose e é queimada na própria indústria em uma caldeira de recuperação
química. O vapor desta caldeira é necessário no processo de fabricação do papel e
da celulose, também sendo possível a produção de energia elétrica, com a cogeração.
Tabela 5.1: Densidades e Poderes Calorí�cos de Biomassa Florestal [21]
Tipo de Biomassa Densidade (kg/m3) Poder Calorí�co Inferior (kcal/kg)
Lenha Catada 300 3.100
Lenha Comercial 390 3.100
Carvão Vegetal 250 6.460
Lixívia Negra � 2.860
Resíduos de Eucalipto 374 4.024
Resíduos de Pinus 350 4.174
5.2.2 Biomassa de Origem Agrícola
Com as dimensões, o clima favorável e o solo fértil do Brasil, o país é um grande
produtor de alimentos. Ele pode ser considerado um dos maiores produtores de
grãos do mundo e sua área plantada só vem aumentando[20]. Para este ano de 2017,
o Brasil terá a maior safra de grãos da história, de 215,1 milhões de toneladas.
43
Figura 5.3: Histórico de Safras de Grãos [20]
Com a ampliação dos investimentos em tecnologia, o agronegócio vem ganhando
força e gerando superávit na balança comercial, fazendo com que o setor seja um dos
mais importantes para o crescimento do país, de janeiro a outubro de 2016 seu PIB
teve alta de 4,28%[48]. Dessa grande produção agrícola, surge uma enorme quanti-
dade de resíduos, que em sua maior parte são descartados sem nenhum cuidado ou
preocupação com o meio ambiente. Esses restos passaram a ser estudados a �m de
que possam ser aproveitados como fontes para a geração de energia.
Existem também as culturas energéticas, como as da cana-de-açúcar para a pro-
dução do álcool.
A quantidade de resíduos orgânicos é medida com base nos índices de colheita, o
quanto do total de biomassa gerada por hectare é aproveitável economicamente. No
Brasil, as culturas que hoje em dia têm o aproveitamento de seus resíduos economi-
camente viável são a cana-de-açucar, o milho, a soja, o capim-elefante e o arroz[49].
A cana-de-açúcar ganhou muita atenção devido à produção do etanol, combus-
tível considerado limpo. O Brasil se tornou um grande produtor de etanol e a
alta produtividade dos canaviais disponibilizou uma quantidade enorme de bagaço
e palha, resíduos da cana-de-açúcar. Esses resíduos podem ser queimados na pró-
pria usina de bene�ciação de açúcar ou álcool, gerando eletricidade, parcialmente
consumida pela usina e a parte excedente sendo vendida[50].
Outra cultura que vem sendo estudada como opção de agricultura de energia
44
é o capim-elefante, que desde sua chegada ao Brasil vinha sendo cultivado como
alimento para gado. As vantagens que o levaram a ser estudado são o período
relativamente curto de crescimento, poder ser plantado em solos pobres e produzir
uma maior quantidade de biomassa se comparado à cana-de-açúcar ou eucalipto[51].
O arroz, a soja e o milho são cultivos de alimentos de grande importância no
Brasil, que acabam gerando uma enorme quantidade de casca e palha, material que
pode ser aproveitado como biomassa[47].
Tabela 5.2: Poder Calorí�co de Resíduos Agrícolas [21]
Resíduos das Culturas Poderes Calorí�cos Inferiores (kcal/kg)
Bagaço de Cana-de-Açúcar 2130
Palha de Cana-de-Açúcar 3105
Casca de Arroz 3200
Palha de Arroz 3821
Capim-Elefante 4200
Palha do Milho 4227
Palha da Soja 3487
5.2.3 Biomassa Derivada de Resíduos Urbanos e Industriais
Além de resíduos agrícolas e �orestais, há ainda os resíduos urbanos e industriais.
Os urbanos são compostos por lixo gerado em meios urbanos, por e�uentes comer-
ciais ou domésticos captados por estações de tratamento de água e esgoto. Já os
industriais são rejeitos da indústria animal, resíduos que vem de abatedouros, cri-
adouros, processamento de carne, etc. Assim como o licor negro na indústria de
papel, esses resíduos da indústria animal também podem ser processados para gera-
ção de eletricidade para consumo próprio ou comercialização. As tecnologias para
aproveitamento dos rejeitos são a combustão direta, a gasei�cação e a biodigestão.
Quando não há a separação do lixo para a destinação correta de cada material,
seja para a reciclagem ou compostagem, o rejeito acumulado em área aberta por
tempo su�ciente começa a apodrecer, se tornando um problema para o meio ambi-
ente, ao permitir a proliferação de doenças, do mau cheiro e a origem do chorume.
Este líquido, que é tóxico e contaminante, pode permear o chão até alcançar lençóis
45
freáticos, poluindo-os[52].
5.3 Tecnologia para Geração de Energia Elétrica a
partir da Biomassa
Devido à grande variedade de material que pode ser usado como biomassa para
a produção de energia, foram desenvolvidos muitos processos de conversão para
o aproveitamento energético e geração elétrica. Com o objetivo de facilitar seu
uso, as rotas tecnológicas da biomassa processam produtos, subprodutos e resíduos
orgânicos em um produto intermediário, que posteriormente é utilizado na geração
em usinas termelétricas. Algumas destas rotas, que podem ser classi�cadas de acordo
com a natureza de seus processamentos primários em termoquímicos, bio-químicos
e físico-químicos, são apresentadas na �gura abaixo.
46
Figura 5.4: Rotas Tecnológicas para Geração de Energia [21],
Outra forma de classi�cação é pela fonte de biomassa e seus possíveis processos
de conversão. Como biomassa abrange uma grande gama de materiais, cada um
deve seguir por uma rota que melhor o processe, a �m de melhorar seu rendimento
energético ou se adequar a um tipo de usina. Temos na �gura a seguir um diagrama
esquemático destes processos.
47
Figura 5.5: Processos de Conversão para Geração de Energia [22]
Como temos diversos produtos resultantes destas rotas tecnológicas, temos tam-
bém diferentes maneiras de usá-los para a geração de energia elétrica. Muitas tec-
nologias de produção de eletricidade a partir da biomassa estão ainda em desen-
volvimento e não estão em fase comercial ou não são viáveis economicamente. Isso
porque a necessidade de formas mais sustentáveis de geração e de despejo de resí-
duos provenientes das atividades humanas só pressionou mais recentemente a forte
pesquisa em cima destes temas. Contudo, temos algumas formas mais desenvolvidas
de utilizar a biomassa. Destaca-se o uso de caldeiras usando ciclos a vapor, usada
na maior parte das industrias sucroalcooleiras[50], por exemplo.
Uma tecnologia muito usada com biomassa é a de cogeração. Ela consiste na
produção de dois ou mais tipos de energia útil que geralmente, como vemos na
indústria sucroalcooleira, fornece eletricidade e calor de processo. Nela, o calor, que
é sempre subproduto da geração termelétrica, é também captado e fornecido para o
uso em outros processos na indústria ou aquecimento. Em países frios, por exemplo,
pode-se ter usinas à combustão de resíduos urbanos fornecendo eletricidade para a
rede e também calor para aquecimento de construções.
48
Capítulo 6
Estudo de Produção de Energia
Elétrica
6.1 Introdução
Neste trabalho de conclusão de curso, estudamos até agora as bases para o enten-
dimento de usinas a biomassa e a energia solar térmica, além do funcionamento
do ciclo Rankine Orgânico. O objetivo deste projeto de graduação é usar diferentes
tecnologias para a criação de uma usina híbrida que aproveite as melhores vantagens
de cada uma e complemente umas às outras onde existem falhas. Para isso propo-
mos uma usina solar térmica do tipo Linear Fresnel com armazenamento térmico e
back-up de biomassa de Jurema-Preta para dias com baixo potencial solar. O ciclo
utilizado na máquina térmica é o Ciclo Rankine Orgânico, que trabalha bem com o
calor de menor temperatura dos coletores tipo Fresnel, e seu �uido de trabalho é o
pentano.
6.2 Modelo e Tecnologias
6.2.1 Demanda de Energia Elétrica
A demanda por fornecimento con�ável de energia elétrica é o que nos motiva a criar
novos projetos geradores. Neste trabalho, como temos o objetivo de criar uma usina
que consiga fornecer energia de forma estável e segura, a usina será considerada como
49
geradora de base, mantendo sua potência constante o dia inteiro. Para simpli�car,
podemos supor uma fábrica de alumínio, grande consumidora de eletricidade, que
assumiu o compromisso de reduzir a zero suas emissões na eletrólise da alumina,
havendo a necessidade de ter sua demanda atendida exclusivamente pela usina. Esta
fábrica funciona 24 horas por dia, sem pausas, com demanda energética de 2MW,
capaz de produzir anualmente 1168,8 toneladas de alumínio[53]. Suponhamos fator
de capacidade de 100%.
6.2.2 Localização
Com a escolha da tecnologia CSP para a usina, devemos ter uma radiação solar
direta intensa o ano inteiro para um melhor desempenho. Além disso, é necessária
a presença de biomassa para backup e água para limpar os espelhos.
O interior da região Nordeste brasileira possui um dos melhores índices de ra-
diação solar do planeta, com baixas médias anuais de cobertura de nuvens e pouca
precipitação[31]. Além disso, possui mata nativa abundante, com potencial para
re�orestamento de biomassa, e água disponível. No programa SAM, que ainda será
visto neste capítulo, escolhemos, dentre outras várias cidades brasileiras, o municí-
pio de Bom Jesus da Lapa, no interior norte da Bahia, como localização do projeto.
Com isso, adotam-se seus parâmetros de radiação solar, temperatura, umidade, etc.
Figura 6.1: Dados de Bom Jesus da Lapa (retirada do SAM, 2017)
50
6.2.3 Tecnologia Heliotérmica: Linear Fresnel
A escolha do tipo de tecnologia foi baseada na simplicidade de produção do sistema
linear Fresnel. Por utilizar apenas espelhos planos e leves, dispensamos grandes
estruturas para suporte, além de diminuir muito o custo da produção dos re�etores.
Para o interior do Brasil, é mais conveniente utilizarmos espelhos planos devido à
fácil reposição e disponibilidade se comparados aos espelhos curvos, pois é muito
mais fácil produzir espelhos planos e já temos esta indústria no país.
6.2.4 Fluido de Trabalho no Ciclo Rankine Orgânico: Pen-
tano
Os motivos de usarmos o Ciclo Rankine Orgânico neste trabalho são prolongar a
vida da turbina, devido à erosão evitada ao usarmos um �uido de expansão seca, e o
aproveitamento do calor de baixa qualidade, ou seja, calor de baixas temperaturas,
obtidos na tecnologia heliotérmica escolhida. Com as temperaturas de operação a
que chegamos nos coletores lineares Fresnel, conseguimos operar com o pentano. O
pentano é um �uido orgânico que possui ótimas vantagens para seu uso como �uido
de trabalho em um Ciclo Rankine Orgânico. Sua curva T×s apresenta a expansão
seca, que evita a condensação dentro da turbina. Ele também é de fácil obtenção
e baixa viscosidade, tendo baixas perdas de carga em tubulações, evaporador, con-
densador e bomba. Além disso, entre os �uidos mais estudados para este tipo de
ciclo, o pentano possui um dos melhores rendimentos líquidos. Uma desvantagem,
contudo, é ser in�amável.
51
Figura 6.2: Curva de Saturação do Pentano (Feita pelo autor com dados do software
REFPROP, 2017)
Segue abaixo a modelagem do Ciclo Rankine Orgânico com o uso do pentano
como �uido de trabalho:
Tabela 6.1: Tabela de Cálculo dos Pontos do Ciclo Rankine Orgânico (Feito pelo
autor, 2017)
Pontos do Ciclo Rankine Orgânico
Ponto T (oC) P (MPa) h (kJ/kg) s (kJ/kgK) v (m3/kg)
1 57,6 0,2 52,19 0,163 1,70 ×10−3
2s � 3,0 56,96 0,163 �
2 � 3,0 59,01 � �
3 189,0 3,0 562,50 1,392 7,95 ×10−3
4s � 0,2 462,35 1,392 �
4 � 0,2 472,37 � �
Onde T é a temperatura, P é a pressão, h é a entalpia, s é a entropia e v é o
volume especí�co.
O processo 1 → 2 é a compressão dada pela bomba, um processo real com
perdas. O ponto 2s sendo resultado de uma compressão isentrópica reversível a
partir do ponto 1, representando o ciclo ideal.
52
O processo 2 → 3 é o aquecimento do �uido de trabalho por um trocador de
calor, onde há um aumento de energia térmica.
O processo 3 → 4 é a expansão na turbina, um processo real com perdas. O
ponto 4s sendo resultado de uma expansão isentrópica reversível a partir do ponto
3, representando o ciclo ideal.
O processo 4 → 1 é o resfriamento do �uido de trabalho em um condensador,
onde há a rejeição de energia térmica.
Os pontos 2s e 4s são calculados antes dos pontos 2 e 4, pois as e�ciências da
bomba e da turbina devem ser aplicadas após estabelecermos os pontos 2s e 4s. Com
estes pontos, podemos calcular as perdas e determinar os pontos 2 e 4.
Como visto nas tabelas, escolhemos temperaturas máximas e mínimas de opera-
ção. A máxima temperatura foi escolhida relativa ao vapor saturado à pressão de
3 MPa anterior à turbina, considerada alta para CRO[8]. A temperatura mínima é
compatível com a máxima temperatura ambiente para o local, que pode chegar aos
40oC[54]. Temos também, o rendimento total do ciclo, que já inclui a e�ciência da
turbina e da bomba, considerados 90 e 70%, respectivamente[55][56]. O resultado
deste ciclo é uma e�ciência térmica de 16,55%.
53
Tabela 6.2: E�ciências do Ciclo (Feito pelo autor, 2017)
Bomba
E�ciência da Bomba ( ηB) 70%
wB = v1 × (P2-P1) 4,76 kJ/kg
h2s = h1 + wB 56,96 kJ/kg
wBreal=w/ ηB 6,81 kJ/kg
h2=h1+wBreal 59,00 kJ/kg
Turbina
E�ciência da Turbina ( ηT ) 70%
wT = h3-h4s 100,15 kJ/kg
wTreal=w/ ηT 690,13 kJ/kg
h4=h3+wTreal 472,37 kJ/kg
Ciclo Rankine Orgânico
E�ciência do Ciclo (η) 16,55%
qH=h3-h2 690,13 kJ/kg
qL=h4-h1 472,37 kJ/kg
wLiq = wTreal-wBreal 100,15 kJ/kg
6.2.5 Biomassa: Jurema-Preta
A Jurema-Preta (Mimosa tenui�ora) é uma planta típica do Nordeste brasileiro,
sendo encontrada de forma abundante por quase toda a região do semiárido[23].
Esta planta cresce rapidamente possuindo um ciclo de extração de sete a nova anos
com maiores volumes. Sua madeira é pesada, com peso especí�co de 0,9g/cm3[23], e
possui um alto poder calorí�co inferior. De ponto de vista da produção de lenha, a
jurema-preta é uma das mais importantes espécies da caatinga. Pode ser utilizada
para produção de lenha e de carvão vegetal.
54
Tabela 6.3: Dados de Propriedades Físicas, Produtividade e Custo da Jurema-Preta
[23]
Parâmetro Valor
Propriedades Físicas
Densidade 0,9 g/cm3
Poder Calorí�co Inferior 4885 kcal/kg
20,45 MJ/kg
Produtividade e Gestão
Volume disponível 77 m3/hectare
Massa disponível 69,3 t/hectare
Ciclo de Extração 7-9 anos
Capacidade de gestão (corte seletivo) 600 hectares/ano
Preço da madeira na usina CSP
Preço por volume 9 USD/m3
Preço por energia 0,51 USD/MMBTU
6.3 System Advisor Module
O System Advisor Module (SAM) é um software desenvolvido pelo Laboratório
Nacional de Energia Renovável dos Estados Unidos (NREL), pela Sandia National
Laboratories, pela Universidade de Wisconsin e outros colaboradores. Com este
programa, podemos modelar e simular tanto a parte técnica quanto �nanceiras de
projetos com fontes renováveis de energia. Ele possibilita escolhermos entre ener-
gia eólica, fotovoltaica, CSP, biomassa, geotérmico e sistemas genéricos. A última
atualização do programa até hoje é a versão 2017.1.17, que será usada nos estudos
desta monogra�a.
Ao abrirmos o SAM, apertamos no botão `File' e em seguida em `New Project'.
Ele abrirá uma aba com várias tecnologias de geração de energia. Ao escolhermos
uma delas, podemos selecionar um modelo �nanceiro também.
55
No caso, foi escolhida a tecnologia `CSP linear Fresnel molten salt', que usa
coletores tipo Fresnel Lineares com sais derretidos como �uido de trabalho nos re-
ceptores, e nenhum modelo �nanceiro. A análise �nanceira não é o escopo deste
trabalho, mas pode ser feita em um trabalho futuro.
6.4 Dimensionamento da Usina CSP
Com a demanda energética da fábrica de�nida e a e�ciência do Ciclo Rankine Orgâ-
nico calculada, sabemos qual a potência térmica necessária para o funcionamento na
carga total da usina. Nesta etapa, usaremos o programa SAM para simular a usina
heliotérmica, podendo assim determinar a área total ocupada pelos espelhos Fresnel.
Aqui escolheremos dois fatores chave, o múltiplo solar e a capacidade da termoa-
cumulação. Esses valores estão interligados, de forma que quanto maior o múltiplo
solar, mais energia térmica excederá a demanda e poderá ser armazenada. Como
queremos o funcionamento contínuo da usina, devemos escolher uma capacidade alta
na termoacumulação. Porém, subindo demais o múltiplo solar e a termoacumulação,
chegamos a um ponto em que o aumento de custo não compensa o ganho de energia.
Escolhemos a incidência direta de projeto de 580 W/m2, a �m de gerar sua capaci-
dade total com incidências solares menores, impedindo que a carga máxima só seja
alcançada com irradiações mais intensas. Esta irradiação de projeto foi escolhida
obtendo a curva de irradiação do melhor dia em Bom Jesus da Lapa e pegando sua
pior irradiação nas horas de sol. Como na �gura a seguir:
56
Figura 6.3: Radiação do Melhor dia e Radiação de Projeto em Bom Jesus da Lapa
(retirada do SAM e modi�cada pelo autor, 2017)
O múltiplo solar deve subir de acordo com a capacidade de armazenamento
térmico, para que haja calor excedente. Consideramos o múltiplo solar de 3 e 12
horas de armazenamento devido a necessidade da geração continua, porém, podendo
usar a biomassa de jurema-preta a baixos custos.
6.5 Back-up com Biomassa
O backup utilizando a biomassa de jurema-preta entrará em ação quando não houver
mais energia térmica proveniente do Sol no sistema ou quando a energia absorvida
nos receptores for insu�ciente para a carga total da usina. Calcularemos a máxima
vazão mássica a ser queimada na caldeira, como se não tivéssemos energia dos co-
letores solares para geração dos 2 MW da usina, e o necessário para um backup
e�ciente durante um ano de operação da usina. A área necessária para cultivo de
57
jurema-preta para o fornecimento de biomassa também é importante e será calcu-
lada. O cálculo de energia necessária de backup de biomassa é apenas a diferença
entre os 2MW da fábrica e o produzido pela parte termossolar da usina, conside-
rando uma e�ciência de 60% na caldeira a biomassa, compatível com caldeiras de
biomassa reais em carga parcial[57].
6.6 Resultados
Considerando a e�ciência de 16,55% do Ciclo Rankine Orgânico a pentano, que
calculamos anteriormente, para 2 MW de eletricidade, necessitamos de 12,1 MW
térmicos alimentando o ciclo. Esta potência térmica equivale ao múltiplo solar=1,
logo para o MS=3 precisamos receber 36,4 MW nos receptores.
Figura 6.4: Dados para os Loops do Campo Solar (retirada SAM, 2017)
Na �gura acima, vemos algumas medidas como a área de abertura de espelhos
de cada �leira (single loop aperture), e�ciência ótica de cada �leira, e�ciência tér-
mica de cada �leira, além de sua e�ciência total de conversão de energia solar em
térmica. Também podemos ver a demanda térmica do ciclo de potência e sua área
de abertura necessária para coleta de energia térmica. Com estes dados, pode ser
calculado o número de �leiras necessárias para o campo solar de múltiplo solar 1
que, posteriormente, multiplicamos pelo múltiplo solar escolhido e encontramos a
área total do campo solar da usina e sua produção de energia térmica.
58
Segundo o programa SAM, nosso campo solar precisará de 105.347 m2 em área
de espelhos Fresnel, que ocupariam 26,03 acres ou 10,5 hectares.
Figura 6.5: Área Necessária para o Campo Solar (retirada do SAM, 2017)
Quanto aos �uidos de transferência de calor nos receptores e na termoacumula-
ção, utilizamos um �uido compatível com o ciclo, o Hitec Solar Salt.
Figura 6.6: Fluido de Trabalho Usado (retirada do SAM, 2017)
Para as 12 horas de acumulação de calor, o tanque deve conseguir guardar 145,02
MWh térmico, logo deve conter 812,58 m3 de �uido.
EnergiaGuardada = 2MW × 12horas
0, 1655= 145, 02MWh (6.1)
59
Figura 6.7: Termoacumulação do Usina (retirada do SAM, 2017)
Anualmente, a parte CSP da usina fornecerá para a fábrica cerca de 9.273 MWh
dos 17.532 MWh necessários, tendo um fator de capacidade de 52,9%.
Figura 6.8: Energia Produzida pelo Campo Solar (retirada do SAM, 2017)
60
Tabela 6.4: Produção de Energia Elétrica com base CSP por mês (retirada do SAM,
2017)
Mês Energia Produzida (kWh)
Janeiro 813.759
Fevereiro 785.988
Março 778.319
Abril 728.874
Maio 785.229
Junho 739.047
Julho 799.218
Agosto 941.628
Setembro 891.835
Outubro 756.546
Novembro 598.310
Dezembro 654.865
No caso de a energia elétrica ser completamente gerada pelo vapor oriundo da
queima da biomassa, em uma semana nublada, por exemplo, a jurema-preta neces-
sária para fornecer 12,1 MW de calor ao ciclo é calculada dividindo esta potência
pela e�ciência da caldeira onde ela será queimada e pelo valor de poder calorí�co
inferior de sua lenha, de 20,45 MJ/kg. Logo, a caldeira deverá suportar a seguinte
vazão de combustível:
Vjurema =12, 1MW
0, 6× 20, 45MJ/kg= 0, 99 kg/s (6.2)
Sendo Vjurema a vazão mássica de biomassa que deve ser fornecida à caldeira.
A energia que falta na usina CSP que deve ser fornecida pela biomassa durante o
ano é de 8259 MWh, ou seja, 29.732.400 MJ. Dividindo-se novamente pela e�ciência
da caldeira e pelo poder calorí�co inferior da jurema-preta, temos a quantidade de
lenha para um ano:
Mjuremaanual =29.732.400MJ
0, 6× 20, 45MJ/kg= 2.423.178 kg = 2.423, 2 toneladas (6.3)
61
Sendo Mjuremaanual a vazão mássima anual de jurema-preta.
Essas 2.432 toneladas necessárias por ano podem ser fornecidas por uma planta-
ção de jurema-preta anexa à usina. De acordo com a tabela com dados da jurema-
preta, um hectare produz 69,3 toneladas. Como dito anteriormente, a jurema-preta
pode ser colhida em ciclos de 7 a 9 anos, consideremos 8. Para 8 anos de operação,
utilizaremos 19.457, toneladas de lenha. Logo, uma plantação que cubra todas as
necessidades de biomassa da usina deve ter 280,8 hectares.
Area =19.457 toneladas
69, 3 toneladas/hectare= 280, 8hectares (6.4)
O total de área ocupada pelo campo solar e plantação seria de 291,3 hectares.
62
Capítulo 7
Conclusão
Neste trabalho, foi dimensionada uma usina híbrida heliotérmica-biomassa com o
propósito de atender uma demanda constante de energia para nosso modelo de
fábrica. Para isto foi necessária a compreensão de diferentes fontes de energias
renováveis e suas combinações, a �m de que as vantagens umas das outras se com-
plementassem, de forma a fornecer energia mais seguramente.
Este trabalho nos mostra a possível combinação entre fontes alternativas que por
si só podem não atender uma carga energética de forma e�ciente. A energia solar,
por exemplo, é limitada aos períodos ensolarados e seu armazenamento de calor.
Uma semana chuvosa acabaria com o fornecimento de eletricidade. Já a biomassa,
utiliza muita área para plantação de lenha, neste caso estudado. A combinação
das duas tecnologias permite também a combinação de suas vantagens, como o
aproveitamento energia luminosa sem custos do Sol nas CSP e maiores depósitos
de combustíveis nas usinas a biomassa, podendo assumir a produção de energia por
maiores períodos.
Neste trabalho de conclusão de curso, no entanto, não foram estudados os custos
associados aos diferentes tipos de tecnologia usados. Muitos fatores podem alterar
signi�cativamente os custos de uma usina e ajudar na redução de preço �nal da
energia, porém estes estudos podem ser feitos futuramente. Também não foram
feitas otimizações de divisão do fator de capacidade das diferentes fontes usadas e
nem de múltiplo solar, que poderia afetar o uso da biomassa como back-up.
Num futuro próximo, a hibridização em usinas de geração elétrica pode vir a
solucionar muitos problemas em lugares isolados Brasil adentro. Com um grande
63
potencial solar e de biomassa, é possível atender inteiramente uma demanda energé-
tica fora da rede de forma sustentável, como estudamos no exemplo deste trabalho.
Sem a necessidade do uso de geradores a óleo combustível, menos emissões de polu-
entes seriam feitas e menos danos causaríamos ao ambiente.
64
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