Aplicações

Como resultado destas vantagens face ao Ciclo de Rankine a Vapor, e devido ao imenso potencial desta tecnologia para o aproveitamento de calor de baixa temperatura, verificou-se nos últimos anos um crescente interesse neste tipo de ciclos e uma aposta clara na implementação dos mesmos em determinadas áreas industrias. Com efeito, e reflectindo o estado, a evolução e a maturidade desta tecnologia, surgiram duas grandes áreas de aplicação destes ciclos, que se constituem como o estado-da-arte neste tipo de aproveitamento: a combustão de biomassa e a produção de energia eléctrica a partir de fonte geotérmica.

•Combustão de biomassa

A biomassa encontra-se amplamente disponível em processos agrícolas e industriais, tais como resíduos agrícolas ou indústria da madeira. A sua utilização, mais bem sucedida a nível local, fica a dever-se principalmente a dois motivos: à respectiva baixa densidade energética, que aumenta os custos de transporte da biomassa; e ao facto da procura de electricidade e de calor serem normalmente disponibilizados no local, o que torna este tipo de instalações particularmente adequadas nos casos em que não existe ligação à rede ou em que esta ligação não seja fiável. A produção local conduz, assim, a instalações mais pequenas ( < 1 MWe), excluindo os ciclos de vapor tradicionais que não são economicamente viáveis nem tão eficientes nesta gama de potências. A principal razão para o aumento da construção de novas plantas de CRO reside no facto de esta ser a única tecnologia comprovada para aplicações descentralizadas de produção de energia até 1 MWe, a partir de combustíveis sólidos como a biomassa (ver Figura 14). O rendimento eléctrico de uma central de CRO encontra-se entre os 6 e os 17 %. Este rendimento está relacionado com a máxima recuperação de calor e rendimento térmico da caldeira [10 e 18].

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Figura 14 – Instalação de cogeração utilizando um CRO, a partir da combustão de biomassa (Fonte [16])

•Produção de energia eléctrica a partir de fonte geotérmica

As fontes de calor geotérmico apresentam uma gama de temperaturas bastante alargada. Desta forma, podem fornecer calor entre os 50 e os 350 ºC. Sendo que, para baixas temperaturas (geralmente inferiores a 100 ºC), o rendimento das centrais eléctricas é muito dependente da temperatura ambiente, que determina a temperatura da fonte fria. A temperatura mais baixa possível para a recuperação de calor a partir do CRO é, assim, de aproximadamente 100 °C, muito embora outras centrais geotérmicas com CRO trabalhem a uma temperatura superior a 200 ° C. Verifica-se, no entanto, que uma temperatura mais elevada (> 150 °C) das fontes de calor geotérmico permite a produção combinada de calor e electricidade (definindo a temperatura de condensação, por exemplo, nos 60 °C, torna-se possível utilizar este calor para aquecimento de espaços ou águas quentes sanitárias), como ilustra a Figura 15. O rendimento global de recuperação de calor é, desta forma, aumentado em detrimento do rendimento eléctrico [10 e 19].

Figura 15 – Instalação de cogeração utilizando um CRO, a partir de uma fonte geotérmica (Fonte [20])

23 Porém, e no sentido de encontrar alternativas às formas convencionais de produção de energia eléctrica e de calor, bem como minimizar os problemas ambientais que se fazem sentir no planeta Terra, tem-se apostado na implementação destes mesmos ciclos (Ciclo de Rankine Orgânico), desta feita em áreas como a recuperação de calor e o solar. Neste sentido, e a partir destas fontes de calor, pretende-se melhorar o rendimento global das instalações, seja aplicando a recuperação de calor, ou explorando outras fontes de energia com imenso potencial, como é o caso da fonte solar. Com efeito, é pretendido, a partir destas novas aplicações, o aproveitamento térmico do calor residual rejeitado por um sem número de processos industriais (melhorando assim os respectivos rendimentos térmicos) e o aproveitamento do imenso potencial que chega em cada instante à superfície terrestre, sob a forma de radiação solar (que poderá ser convertido em calor e/ou em energia eléctrica). Desta forma, e neste momento, as aplicações que se estão a desenvolver e a ser implementadas tendo por base o Ciclo de Rankine Orgânico são: a produção de energia eléctrica a partir de fonte solar, e a recuperação de calor a partir de processos industriais.

•Produção de energia eléctrica a partir de fonte solar

A concentração da energia solar é uma tecnologia já testada e comprovada nos dias de hoje: o Sol é monitorizado e reflectido para um colector linear ou pontual, transferindo-se o calor para um fluido a alta temperatura que, em seguida, será utilizado num ciclo de produção de energia eléctrica. As três principais tecnologias de concentração solar são o colector concentrador parabólico (designado em inglês por CPC: Compound Parabolic Concentrator), o disco parabólico e a torre de concentração solar. Os discos parabólicos e as torres solares são tecnologias de concentração pontual, levando a um factor de maior concentração e a temperaturas mais elevadas. Os ciclos de alimentação mais adequados para estas tecnologias são o motor Stirling (plantas de pequena escala), o Ciclo de Rankine a Vapor, ou até mesmo o ciclo combinado para as torres de concentração solar. Já os colectores concentradores parabólicos trabalham a uma temperatura mais baixa (300 a 400 °C), estando até agora associados, principalmente, ao tradicional Ciclo de Rankine a Vapor para a produção de energia eléctrica. No entanto, os ciclos convencionais de vapor funcionam a temperaturas e pressões mais elevadas, conduzindo a instalações de mais alta potência, devido à necessidade de rentabilização económica destes ciclos. Os Ciclos de Rankine Orgânico assumem-se, assim, como uma tecnologia promissora uma vez que podem ser utilizados juntamente com a tecnologia solar parabólica, ao contrário do Ciclo de Rankine a Vapor convencional (ver Figura 16). Através destes (CRO) é possível funcionar com temperaturas mais baixas dos colectores, o que melhora o respectivo rendimento térmico (diminuindo as perdas para o exterior), reduzindo o tamanho dos campos solares, da instalação e os custos de investimento e de manutenção. Tecnologias como concentradores de Fresnel linear são, então, particularmente adequados para CRO solar, permitindo uma potência total instalada que pode variar desde alguns kW até ao MW [10 e 19].

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Figura 16 – Instalação de colectores solares concentradores com CRO (Fonte [21])

•Recuperação de calor a partir de processos industriais

Muitas aplicações na indústria rejeitam calor a uma temperatura relativamente baixa. Esse calor pode ser convertido em fonte quente para outras aplicações, permitindo, assim, a produção de electricidade e/ou calor (como seja para aquecimento urbano). Um exemplo deste tipo de aproveitamento são as centrais de cogeração, especialmente as que utilizam a biomassa como combustível, em que a partir da potência térmica rejeitada no condensador (ver Figura 17), e tendo por base um CRO, se procede à recuperação e utilização da mesma para a produção de mais energia eléctrica e/ou calor a aplicar em diferentes tipos de aquecimento [10].

Figura 17 – Instalação de um CRO para recuperação de calor proveniente de outros processos industriais (Fonte [22])

25 Face aos exemplos apresentados pode-se, então, concluir que este tipo de tecnologia não só permite melhorar a eficiência global dos sistemas e instalações, como também, e por si só, permite a produção de calor e/ou electricidade, reforçando, assim, a sua importância e valências. Por outro lado, e como ficou demonstrado, trata-se de uma tecnologia que consegue competir em diversas áreas, apresentando um imenso potencial quer ao nível industrial quer ao nível de particulares.

Assim sendo, e já numa óptica futurista, especula-se que o Ciclo de Rankine Orgânico possa passar também pela sua aplicação em instalações de Osmose Inversa para Dessalinização de Água Salgada (tendo por base a fonte solar) e de Recuperação do Calor da Combustão de Biogás obtido por Digestão Anaeróbia da Biomassa. Tratam-se, portanto, de projectos para aplicações futuras nesta área dos Ciclos de Rankine Orgânico que, embora careçam de estudos e de resultados experimentais, se apresentam como propostas plausíveis e necessárias face às exigências que se impõem a médio-longo prazo.

•Dessalinização de água salgada a partir de fonte solar

A forma mais comum para dessalinizar a água é por meio de processos de mudança de fase como a Evaporação Parcial em Múltiplos Estágios (designada em inglês por MFS: Multi-Stage-Flash-Evaporation), a Destilação Múltipla (designada em inglês por MED: Multi-Efect-Distillation), entre outros. No entanto, um processo eficiente sem mudança de fase é a Osmose Inversa (OI), em que o consumo de energia por m3 de água dessalinizada é 5 a 6 vezes menor do que nas tecnologias térmicas. Um sistema de dessalinização autónomo solar impulsionada por um Ciclo Rankine Orgânico pode, então, ser utilizado para produzir água potável a partir da água do mar (ver Figura 18). A vantagem desse sistema é a combinação da tecnologia de dessalinização eficiente (Osmose Inversa) com uma fonte renovável de energia (radiação solar) [18].

Figura 18 – Instalação de Osmose Inversa, com accionamento a partir de um CRO e fonte solar térmica (Fonte [14])

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•Recuperação do calor da combustão do biogás obtido por digestão anaeróbia da biomassa

A energia da biomassa e, em particular, a digestão da biomassa, de resíduos orgânicos ou de culturas energéticas nas centrais de biogás é uma das opções mais atraentes para fomentar a implementação das fontes renováveis de energia. O biogás apresenta, assim, um potencial muito grande de substituição dos combustíveis fósseis permitindo, inclusivé, funcionar como base da produção eléctrica de um país. No entanto, e na maioria casos, esta tecnologia é economicamente viável apenas à custa de subsídios. Por outro lado, e obstaculizando a eficiência das centrais de digestão da biomassa, seria enorme a quantidade de calor residual que não poderia ser utilizado nos sistemas de aquecimento urbano devido às características da procura de calor e da localização das centrais de digestão. Por isso, uma possibilidade de superar esta limitação é a utilização do calor residual para a produção de electricidade a partir de um Ciclo de Rankine Orgânico [18], como se ilustra na Figura 19.

Figura 19 – Instalação de produção e queima de biogás, com recuperação de calor a partir de um CRO (Fonte) [18]

2.2. Fluido de Trabalho

O desempenho de um Ciclo de Rankine Orgânico, com excepção das temperaturas das fontes quente e fria e da eficiência de cada um dos equipamentos, é basicamente condicionado pelo fluido de trabalho escolhido para a instalação. Esta selecção tem, assim, uma extrema importância no tipo e forma de aproveitamento conseguido pelo CRO, constituindo-se como o segredo de toda esta tecnologia e assumindo-se como a questão chave para o sucesso deste tipo de ciclos.

27 Assim sendo, e em cada aplicação, é pretendido o fluido que maximize o rendimento térmico e/ou potência eléctrica gerada, tendo em conta as temperaturas da fonte quente e da fonte fria disponíveis, e que minimize o trabalho de bombagem. Contudo, a escolha do fluido indicado não se resume, tão-somente, às avaliações técnicas e termodinâmicas. Para além das análises referidas são, também, avaliados os riscos ambientais, as questões de segurança e de saúde pública e os aspectos económicos associados a cada um dos fluidos, tornando todo o processo de selecção muito mais criterioso e fundamentado.

Desta forma, e tendo como objectivo a definição e selecção do fluido mais indicado para cada tipo de aplicação, são avaliadas as questões que seguidamente se apresentam.

•Curva de vapor saturado:

Tendo por base os diferentes tipos de curvas de vapor saturado, podem-se identificar três categorias de fluidos, conforme Figura 20:

Fluido Húmido, com declive (dT/ds) negativo (por exemplo: água): a

expansão ocorre na zona de vapor saturado, pelo que é necessário ter especial cuidado com o tipo de turbina a utilizar, de forma a esta suportar as gotas de líquido do vapor. Por conseguinte, é necessário, por vezes, efectuar um sobreaquecimento do fluido à entrada da turbina afim de evitar um título excessivamente elevado no final da expansão. Tal facto evita, assim, possíveis danos na turbina, mas também penaliza o desempenho do ciclo. Geralmente este tipo de fluidos tem um baixo peso molecular [10 e 23];

Fluido Isentrópico (por exemplo: R-124): uma vez que o vapor se expande ao

longo de uma linha vertical no diagrama T-s, o vapor saturado à entrada da turbina permanecerá saturado até que se atinja o escape da mesma, não ocorrendo a sua condensação [23];

Fluido Seco, com declive (dT/ds) positivo (por exemplo: Isopentano): a fase de

vapor saturado torna-se sobreaquecida após a expansão isentrópica. Este tipo de fluido orgânico é apropriado para turbinas já que não existe o risco de erosão, devido ao estado de sobreaquecimento na saída da mesma, mas parte da energia é cedida para o condensador. Se esta energia for significativa, um permutador de calor de recuperação é integrado de forma a aumentar a eficiência do ciclo. Esta energia é utilizada para aquecer o fluido de trabalho à saída da bomba, minimizando a potência térmica fornecida pela caldeira e, com isto, aumentando a eficiência do ciclo [10 e 23].

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Figura 20 – Curvas características de vapor saturado (Fonte: Software Engineering Equation Solver)

•Propriedades termofísicas:

A temperatura do ponto crítico deve estar bem acima da temperatura máxima de funcionamento do ciclo para minimizar as irreversibilidades geradas pela transferência de calor, através da diferença finita de temperaturas dentro da caldeira [10 e 23];

Pressões muito elevadas têm um impacto negativo sobre a fiabilidade do ciclo. Neste sentido, aumentam os riscos de operação, requerem estruturas e equipamentos mais resistentes, acrescentam complexidade ao ciclo e incrementam os custos de investimentos e de manutenção da instalação. Por isso, e para que um pequeno sistema tenha um custo aceitável, a pressão da caldeira deve ser limitada aos 2-3 MPa [10, 19 e 23];

A pressão de condensação do fluido deve ser superior à pressão atmosférica para evitar infiltrações de ar no sistema [23];

29 O ponto triplo deve estar abaixo da temperatura ambiente mínima para garantir que os fluidos de trabalho não solidifiquem, quer para as temperaturas de funcionamento, quer quando o sistema é desligado [19 e 23];

Num diagrama T-s, a forma da curva do vapor saturado do fluido deve ser quase vertical, para evitar um sobreaquecimento excessivo na saída da turbina que, desde logo, se constitui como uma perda exergética [23];

A variação de entalpia do fluido de trabalho na turbina deve ser grande para aumentar o rendimento do ciclo termodinâmico e minimizar o caudal de fluido [23];

A densidade do fluido de trabalho é um parâmetro de extrema importância, especialmente para os fluidos que apresentam uma pressão de condensação muito baixa (por exemplo, os óleos de silicone). A baixa densidade do fluido conduz a equipamentos muito grandes, nomeadamente ao nível da expansão e da condensação. Portanto, a densidade do fluido à entrada da turbina deve ser elevada para manter um tamanho pequeno da mesma [10 e 23];

Um fluido com um elevado calor latente de vaporização e uma densidade elevada consegue absorver mais energia da fonte quente (no evaporador) e, assim, reduzir o caudal necessário, o tamanho da instalação e o consumo de bombagem [19 e 23];

O coeficiente de convecção de calor será tanto maior quanto mais alta for a condutividade térmica e mais baixa for a viscosidade do fluido de trabalho [23];

A viscosidade do fluido de trabalho deve ser baixa de forma a minimizar as perdas por atrito [23];

Ao contrário da água, os fluidos orgânicos costumam sofrer deteriorações químicas e decomposições a altas temperaturas. Por conseguinte, os fluidos devem ser termicamente e quimicamente estáveis para todas as pressões e temperaturas de funcionamento, sendo que a temperatura máxima da fonte quente estará, portanto, limitada pela estabilidade a alta temperatura do fluido de trabalho [10, 19 e 23].

•Impacto ambiental:

Os principais parâmetros a ter em conta são o Potencial de Empobrecimento da Camada de Ozono (designado em inglês por ODP: Ozone Depletion Potencial), o

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Potencial de Aquecimento Global (designado em inglês por GWP: Global Warming

Potencial) e o Tempo de Permanência na Atmosfera. [10, 13 e 19].

•Segurança e saúde:

O fluido não deve ser corrosivo, tóxico ou inflamável, nem apresentar índices de auto-ignição elevados. Estes parâmetros são de extrema importância, não só para quem opera a instalação, como para a localização da instalação (por exemplo, um ciclo de Amónia não será instalado numa habitação sem qualquer precaução). A classificação de segurança ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating,

And Air-Conditioning Engineers) dos refrigerantes é um bom indicador do nível de perigosidade dos fluidos [10, 13, 19 e 23].

•Disponibilidade comercial e custo:

O fluido seleccionado tem de estar disponível comercialmente, a partir de vários fornecedores, e a um preço aceitável. Isto, porque os fluidos tradicionais utilizados no CRO são bastante caros. Logo, esse custo só pode ser reduzido com a produção em larga escala, ou pelo uso de outros fluidos (como por exemplo hidrocarbonetos) que apresentem baixo custo e se encontrem comercialmente disponíveis [10, 19, 23].

2.3. Equipamento

O equipamento constitui, a par dos outros elementos do processo, um factor determinante no desempenho do sistema.

2.3.1. Máquina de Expansão

O desempenho da máquina de expansão nos Ciclos de Rankine Orgânico é um dos parâmetros que mais afecta e condiciona a eficiência global da instalação. Genericamente, as máquinas de expansão podem ser classificadas em duas categorias principais: as turbinas e as máquinas de deslocamento positivo, também conhecidas por máquinas de expansão volumétricas. De forma a identificar a tecnologia mais adequada para cada tipo de aplicação, é conveniente usar-se um método de abordagem similar e transversal para todas as situações, sob pena de se reduzir o número de parâmetros que afectam as performances deste tipo de equipamentos. Quatro parâmetros são, assim, suficientes para descrever completamente o desempenho das máquinas de expansão: o número de Mach, o número de Reynolds (à entrada), a velocidade específica, e o diâmetro específico. Porém, e segundo o estudo de R.E. Barber e D.E. Prigmore, referenciado por [23], o número de Reynolds e o número de Mach, associados ao fluido em expansão, têm apenas efeitos secundários sobre o desempenho da turbina. Além disso, se o número de Reynolds for superior a 106 não há nenhum efeito aparente sobre o desempenho. Por outro lado, se o número de Mach for consideravelmente inferior a 1, os efeitos de compressibilidade são pequenos e o desempenho da máquina de expansão pode ser descrito apenas por dois parâmetros: a velocidade específica (NS) e o diâmetro específico (DS)

31 A evolução do desempenho das máquinas de expansão, tendo por base os parâmetros dimensionais enunciados anteriormente, encontra-se descrita na Figura 21. Com efeito, para uma variação do caudal específico e da entalpia ao longo da expansão, a velocidade específica é uma medida da velocidade de rotação do rotor da máquina de expansão. O diâmetro específico, por sua vez, pode ser visto como uma medida do tamanho da máquina de expansão, correspondendo ao diâmetro do rotor de uma máquina rotativa e ao diâmetro do êmbolo de uma máquina alternativa (de êmbolos). A partir da figura mencionada, verifica-se que, para várias faixas de velocidade específica, existem máquinas de expansão que oferecem melhor desempenho que outras. Desta feita, e para baixas velocidades específicas, as máquinas de deslocamento positivo são, em termos de eficiência, superiores às turbinas de simples estágio. Por outro lado, as máquinas rotativas atingem, para determinados valores de diâmetro específico, as mesmas eficiências isentrópicas que as turbinas de simples estágio. Contudo, verifica-se também que a velocidade de ponta deste tipo de máquinas (rotativas) é três a quatro vezes inferior à das turbinas [23].

Figura 21 - Mapa dos rendimentos isentrópicos das diferentes máquinas de expansão (Fonte [23])

No entanto, e de acordo com o estudo apresentado por [23], no que concerne à aplicabilidade de turbinas para baixas potências, verifica-se que as turbinas convencionais não são adequadas para potências compreendidas entre 1 e 10 kW, devido claramente aos seus baixos rendimentos isentrópicos. Paralelamente, e segundo um estudo de Mobarak et al., também referenciado por [23], relativo à selecção de turbinas para a produção de energia eléctrica de

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pequena escala, constata-se que, na realidade, não é exequível projectar uma turbina convencional para debitar uma potência entre 1 e 100 kW. Todavia, é apresentada uma proposta, neste estudo, para uma turbina radial de 100 kW (com dez estágios), com um rendimento isentrópico máximo de 71%, a operar a 8300 rpm. Contudo, e segundo os autores, para potências mais baixas seriam necessárias maiores velocidades de rotação da turbina, resultando daí uma maior fadiga mecânica, excedendo assim o próprio limite da resistência dos materiais [23].

Assim sendo, as turbinas convencionais não são dispositivos particularmente adequados à produção eléctrica de baixa potência (< 100 kW). Desta forma, as máquinas de expansão volumétricas assumem um papel importante e de destaque neste tipo de aproveitamentos, sendo as principais candidatas a esta gama de aplicações. Relativamente ao seu funcionamento, estas máquinas resultam simplesmente da reversibilidade de alguns compressores volumétricos que, por funcionarem em ambos os sentidos podem ser convertidos em máquinas de expansão. Com efeito, verifica-se que os compressores de parafuso, de voluta ou espiral (designado em inglês por Scroll) e rotativos de palhetas, se constituem como as tecnologias mais maduras e utilizadas neste tipo de conversão, apresentando, inclusivamente, rendimentos isentrópicos muito semelhantes aos obtidos na compressão. Para além disso, e como fica descrito na Figura 22, estes compressores conseguem cobrir uma vasta gama de potências nominais. Tal facto permite, assim, inferir, e face ao carácter de reversibilidade apresentado, que um comportamento igual ou idêntico será