Micro turbina a gás

Microturbinas a gás ou microturbinas (MT) são pequenas turbinas a gás de alta rotação e baixa temperatura e pressão de combustão, com potência elétrica variando de 25 até 200 kW. As MT podem funcionar com uma variedade de combustíveis, incluindo gás natural, biogás, gás de síntese, biodiesel e querosene.

Uma rotação de aproximadamente 96.000 RPM gera uma corrente elétrica alternada de alta frequência, a qual é retificada e processada por um inversor de frequência para ser injetada na rede de energia elétrica, o que elimina a necessidade de caixas de redução e qualquer parte móvel associada (ROSSA, 2007).

O uso de MT é crescente em aplicações com biogás, especialmente em plantas de tratamento de águas residuais, fazendas e aterros.

O calor residual dos gases de exaustão pode ser aproveitado em sistemas de cogeração, tanto para aquecimento quanto para refrigeração.

A eficiência elétrica é muito sensível a variações nas condições ambientais como temperatura, pressão e umidade relativa do ar (RÜCKER, 2004).

2.5.1.1 O uso do biogás em microturbinas à gás

O uso do biogás em microturbinas exige certas adaptações da câmara de combustão e dos bicos de injeção de combustível, em comparação com a operação com gás natural (DIELMANN, 2001 apud FNR, 2010).

Como o biogás tem de ser inserido na câmara de combustão da microturbina a gás, a qual se encontra a uma sobre pressão de 10 a 15 bar, é necessário um aumento da pressão do gás na alimentação. Além da pressão da câmara de combustão, devem ser consideradas perdas de pressão devidas aos escoamentos na tubulação de gás, válvulas e queimador, de forma que a sobre pressão deve ser de pelo menos 6 bar em relação à pressão atmosférica para vencer essas perdas de carga. Para essa finalidade, a montante da microturbina a gás é instalado um compressor.

Substâncias concomitantes no biogás (principalmente água e siloxanos) podem danificar a microturbina a gás, sendo, portanto necessária à secagem e filtragem do gás. No quesito teor de enxofre, as microturbinas a gás têm uma tolerância maior que MCI. Microturbinas a gás são capazes de processar biogás com teores de metano de 35% a 100%.

Os intervalos de manutenção são sensivelmente mais longos que os de motores, ao menos no caso de microturbinas movidas a gás natural. Conforme dados dos fabricantes, o intervalo de manutenção é de 8.000 horas e a vida útil é de aproximadamente 80.000 horas. Após cerca de 40.000 horas está prevista uma revisão geral com substituição da seção de ar quente.

As microturbinas têm como desvantagem a eficiência elétrica relativamente baixa, mal atingindo 30%. Esse valor, relativamente baixo em relação aos motores convencionais, é compensado pelo bom comportamento a cargas parciais (50% - 100%). Os custos de investimento são de 15% a 20% superiores aos de motores de potência equivalente destinados a aplicações de biogás (FNR, 2010).

2.5.1.2 Exemplos de aplicação

Em estudo comparativo entre uma MT e um motogerador, ambos na faixa de potência de 30 kW, utilizando biogás de uma estação de tratamento de esgoto, Costa (2006) concluiu que:

• É possível atender as especificações técnicas exigidas para a utilização do biogás de ETE em microturbinas sem maiores dificuldades;

• A grande vantagem na utilização de MT é ambiental, pois a emissão de 𝑁𝑂𝑥 por esta (<9ppm) é substancialmente menor que MCI com ciclo Otto (~3000 ppm);

• Análise financeira é extremamente desfavorável para a MT, pois esta necessita um tratamento e compressão do biogás, enquanto o MCI pode fazer uso do biogás “in natura” sem a necessidade da compressão;

• Dificuldades para efetuar manutenções nos equipamentos de tratamento e compressão do gás, principalmente pela indisponibilidade de peças de reposição;

Durante o período de realização de seu trabalho, ambos os equipamentos estavam fora de operação. A MT devido a problemas com

o compressor de biogás e o grupo gerador devido a problemas no sistema de mistura ar/combustível.

Costa (2006) comenta ainda que ocorreram diversos problemas no funcionamento do motogerador, o que impediu a obtenção de resultados mais consistentes, e demonstrou a não confiabilidade do equipamento nacional adquirido.

É importante ressaltar que a afirmação de que o MCI pode fazer uso do biogás “in natura” é baseada em informações do fabricante, e não é possível afirmar que o MCI terá a vida útil estabelecida.

Na prática, para aumentar a vida útil dos MCI, é necessário o tratamento do biogás.

Singh et al (2014) analisaram o desempenho de uma planta de geração de energia elétrica a biogás de dejetos animais em uma fazenda com 300 vacas leiteiras na Índia desde o comissionamento em 2007 até março de 2013. A produção diária de dejetos era de 6.000 kg, porém eram usados somente 2.500 kg que eram misturados a 2,5 m3 de água para alimentar o biodigestor tubular (canadense) de 125 m3 que não era agitado nem aquecido.

A planta possuía duas microturbinas Capstone de 30 kW cada, sendo que uma ficava em stand-by. O biogás era resfriado a 21°C, desumidificado, comprimido por um compressor a parafuso e resfriado novamente. Em seguida o H2S era removido e o biogás entrava na MT a 5 bar. Dessa forma os operadores nunca tiveram problemas com a MT, porém outros problemas foram reportados, como o reparo do compressor de biogás por três vezes, vazamento de gás no digestor e a queima de fusíveis da MT e troca do glicol usado na filtragem do biogás, difíceis de serem encontrados na região.

O principal problema reportado foi a gradual queda na produção de biogás. No inicio, uma microturbina com carga média de 25 kW funcionava entre 6 e 7 horas por dia produzindo em média 160 kWh. É importante ressaltar que 8 kW eram necessários no condicionamento do biogás, produzindo uma potência líquida de 17 kW. Atualmente a MT funciona apenas 1 hora por dia.

A queda gradual na produção de biogás foi devida principalmente a falta de aquecimento e agitação, que provocou o assoreamento e a formação de regiões de estagnação com o consequente curto circuito do biodigestor fazendo com que o tempo de residência fosse menor que o TRH projetado e o efluente apresentasse grandes quantidades de sólidos orgânicos voláteis não digeridos.