Capítulo 4 POTENCIAL TÉCNICO DA GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA A
4.3 CICLO COMBUSTÃO COM TURIBINA DE QUEIMA EXTERNA (C-EFGT)
O ciclo C-EFGT foi simulado com o software Gate Cycle. Este software é um programa de modelagem termodinâmica. É utilizado para a avaliação do projeto e desempenho dos sistemas de usina térmica em design e off-design pontos. A aplicação GateCycle combina uma interface de usuário gráfica intuitiva com modelos analíticos detalhados para a termodinâmica, calor e transferência de processos de fluidos mecânica dentro de usinas de energia.
Na figura 4.4 pode-ver um exemplo do esquema usado no Gate Cycle para simular o C- EFGT. Os parâmetros termodinâmicos de operação do ciclo C-EFGT podem-se ver na tabela 4.2. Logo foi aplicado para todas as tecnologias analisadas mudando as eficiências dos equipamentos (tabela 4.3).
Tabela 4.2 Parâmetros termodinâmicos usados no cálculo do C-EFGT
Parâmetros Valor Unidades
Fluido de Trabalho Ar
Temperatura ambiente 298,15 K
Temperatura do combustor 1173.15 K
Fluxo do Ar Comprimido 5 - 25 kg seg-1
Fluxo do Ar no combustor 5 - 25 kg seg-1
PCI (Eucalipto) 12,00 MJ kg-1
PCI (Capim Elefante) 15,15 MJ kg-1
Eficiência da turbina Ver tabela 4.3
Temperatura da água fria 288,15 K
Potencia 50 – 3000 kW
Os dados da operação das diferentes usinas analisadas foram obtidos de experimentos e simulação relatados na literatura e são apresentados na tabela 4.3.
As curvas resultantes da aplicação dos modelos analisados são apresentadas na figura 4.5 e 4.6. Na figura 4.5, podem se observar as diferentes eficiências para diferente potências na faixa de potência de 10 – 350 kW. Na figura 4.6, podem se observar as diferentes eficiências para diferentes potências na faixa de 500 – 3000 kW.
Tabela 4.3 Dados de referência para a modelagem dos ciclos termodinâmicos
Ciclo Termodinâmico Potência (kW) Acionador Primário Eficiência Isentrópica Acionador (%) Referência ORC
10-350 EP 40 -85 (QIU; LIU; RIFFAT, 2011 & LI; ZHU; ZHANG, 2012)
500 - 3000 TA 60 – 80 (DIXON; HALL, 2010)
TR 65 – 90 (KANG, 2012)
CRC
30 - 200 TR 79 – 85 (KANG, 2012)
10 - 300 EP 40 – 85 (QIU; LIU; RIFFAT, 2011 & LI; ZHU; ZHANG, 2012)
500 - 3000 TA 60 – 80 (DIXON; HALL, 2010)
GMCI 10 - 20 MCI 35 (BARATIERI et al., 2009)
750 - 2000 MCI 35 (BARATIERI et al., 2009)
GEFGT 500 EFGT 82 (KAUTZ; HANSEN, 2007)
CEFGT 30 - 70 EFGT 82 (KAUTZ; HANSEN, 2007)
No caso das simulações dos sistemas ORC e CRC para os diferentes expansores. Para ORC foram tidos em conta dois fluido de trabalho: benzeno e n-pentano, para uma condição de operação e um ponto pinch de 5 °C. As curvas de eficiências para as diferentes potências analisadas, são mostradas nas figuras 4.5 e 4.6.
Na figura 4.5, pode se ver que o sistema ORC com Benzeno tem as maiores eficiências (10 - 16 %) na faixa de 10 - 150 kW e o sistema com menor eficiência na mesma faixa é CRC com EP. A partir da potência de 150 kW até 350 kW o ORC com fluido de trabalho benzeno, é o de melhor desempenho (16 – 22%). O benzeno tem dificuldades para ser usado por ter um ODP e um GWP elevado, ocasionando impactos às mudanças climáticas. O sistema com o menor desempenho foi CRC com EP.
Para as potências entre 500 – 3000 kW, o sistema com maior eficiencia (15 – 26%) foi o G- MCI na faixa de 500 – 3000 kW. Segue o ORC com TA com eficiências (16 – 23%) na mesam faixa. A partir de 1000 kW, foi o ORC com fluido de trabalho benzeno (17 – 22%). O ORC com fluido de trabalho n-pentano, alcanzou a maior eficiência (17,5 – 20%) na faixa de 2000 – 3000 kW. O sistema CRC com TA foi o de menor desempenho com eficiências que flutuam entre 12 a 16%. Figura 4.6.
O sistema GMCI é o mais eficiente na faixa 500 - 3000 kW na geração de energia elétrica com biomassa. Mas esta eficiência pode se afetar ao considerar a energia requerida para o secado da biomassa antes da gaseificação, podendo variar com a tecnologia de secado usada e a sua fonte de energia.
Conjugando o potencial de energia primaria dos cultivos energéticos variando a percentagem de solos potencialmente usados e as eficiências globais dos sistemas analisados, obtém-se o potencial de geração de energia elétrica no Brasil. Pode se observar na figura 4.7, 4.8 e 4.9, que é possível superar a capacidade de geração elétrica atualmente instalada no Brasil com Eucalipto e Capim Elefante utilizando tecnologias de combustão e gaseificação em diferentes sistemas com diversos acionadores primários.
No caso do sistema GMCI, e possível alcançar a capacidade elétrica instalada no Brasil utilizando o 50% das terras com potencial para Eucalipto, 23% das terras com potencial para o Capim Elefante e 33% das terras com 50% em Eucalipto e 50% em Capim Elefante.
Se a escolha é o sistema ORC, estas percentagens são maiores que as utilizadas com GMCI. No caso de utilizar o Eucalipto como combustível, precisa se semear o 62% das terras com atitudes para este cultivo e utilizar para a geração o ORC com Benzeno e 65% das terras usando ORC com n-pentano. Agora usando Capim Elefante é necessário semear o 30% das terras com potencial para o Capim Elefante e utilizar para a geração o ORC benzeno como fluido de trabalho e 35% das terras com ORC e n-pentano como fluido de trabalho. Agora é necessário semear o 40% das terras usando ORC com benzeno como fluido de trabalho com 50% em Eucalipto e 50% em Capim elefante e 0 43% das terras usando ORC com n-pentano.
Com o sistema CRC é necessário utilizar o 75% das terras com atitudes para o Eucalipto, 38% das terras com potencial para o Capim Elefante e 60% com 50% em Eucalipto e 50% em Capim Elefante.
No caso que deseja se um programa onde precisa se fomentar os dois cultivos com diferentes tecnologias em diferentes regiões precisa se: 25% das terras com potencial para o Eucalipto com ORC e n-pentano como fluido de trabalho e 20% das terras com potencial para o Capim Elefante, atingindo 120 GW. As misturas de tecnologia podem ser diversas, assim como quantidade de área com potencial para cada cultivo energético. Nesta análise no foi considerado o consumo energético na adequação da biomassa para as diferentes tecnologias estudadas