em conta aspectos surgidos a partir das leis da termodinˆamica, con- siderem aspectos ambientais que sirvam de ponto de partida para o melhoramento do processo.
1.4
Organiza¸c˜ao da tese
Este trabalho est´a organizado em cinco cap´ıtulos e cinco apˆendices. O Cap´ıtulo 2 apresenta a revis˜ao te´orica que envolve a tem´atica abor- dada, sendo feita uma breve resenha hist´orica do desenvolvimento da termodinˆamica at´e a propriedade exergia. Nesse cap´ıtulo, tamb´em s˜ao descritas as quatro fases da metodologia de an´alise de ciclo de vida (LCA), que servem de base para a an´alise ambiental realizada em se- guida, e ´e definido o processo de combust˜ao combinada, a partir de alguns trabalhos pioneiros. O Cap´ıtulo 3 apresenta a proposta meto- dol´ogica, constitu´ıda de cinco passos, para a avalia¸c˜ao termodinˆamica e ambiental de uma usina termoel´etrica, considerando uma fronteira estendida que compreende a usina e a rota tecnol´ogica para a obten¸c˜ao e manuseio do combust´ıvel. A propriedade exergia ´e indicada para a avalia¸c˜ao termodinˆamica e o m´etodo de avalia¸c˜ao do ciclo de vida (ACV) ´e proposto para quantificar o impacto ambiental. O Cap´ıtulo 4 trata da an´alise geral do processo de gera¸c˜ao termoel´etrica, seguindo os trˆes primeiros passos da proposta metodol´ogica e considerando os dois cen´arios de interesse. Para isso, ´e usada a estrutura existente de uma usina de 50 MWe nominais, pertencente ao complexo termoel´etrico Jorge Lacerda, projetada para queimar carv˜ao pulverizado e adaptada para operar em combust˜ao combinada. No Cap´ıtulo 5, ´e realizada a an´alise exergoambiental da usina termoel´etrica, tendo em vista os pas- sos 4 e 5 da proposta metodol´ogica, apresentada no Cap´ıtulo 3. No Cap´ıtulo 6 s˜ao feitas as considera¸c˜oes finais e s˜ao sugeridos direciona- mentos para trabalhos futuros.
Em rela¸c˜ao aos apˆendices, o Apˆendice A apresenta as informa¸c˜oes referentes aos equipamentos e consumos da rota do carv˜ao. O Apˆendice B mostra dados dos equipamentos e consumos da rota da biomassa. O Apˆendice C apresenta o sistema de equa¸c˜oes do modelo desenvol- vido para a an´alise do ciclo representativo da usina termoel´etrica. O Apˆendice D, mostra os resultados obtidos a partir do invent´ario de ci- clo de vida levantado durante a realiza¸c˜ao da tese, para a categoria de impacto acidifica¸c˜ao. Finalmente, o Apˆendice E mostra o modelo de combust˜ao desenvolvido com o CEA mediante equil´ıbrio qu´ımico.
2
Revis˜ao bibliogr´afica
Este cap´ıtulo apresenta uma revis˜ao bibliogr´afica sobre a propri- edade exergia e mostra como essa propriedade tem sido utilizada em v´arias propostas metodol´ogicas que visam `a quantifica¸c˜ao do impacto ambiental associado a um processo de convers˜ao de energia. S˜ao apre- sentados ainda t´opicos abordados durante a pesquisa, como o m´etodo de avalia¸c˜ao do ciclo de vida (ACV) e o processo de gera¸c˜ao termoel´etrica operando em combust˜ao combinada.
2.1
Resenha hist´orica
A termodinˆamica ´e uma ciˆencia que consiste basicamente de quatro leis e um postulado, reconhecido como postulado de estado, que possi- bilitam entender fenˆomenos relacionados `a mat´eria e sua intera¸c˜ao com o entorno. A primeira e segunda lei da termodinˆamica tem contribu´ıdo consideravelmente para o desenvolvimento tecnol´ogico atual. Uma das primeiras contribui¸c˜oes para o entendimento da termodinˆamica foi dada por Julius Van Mayer1 (1814-1879), que realizou um estudo sobre o equivalente mecˆanico do calor. Contudo, as bases para o princ´ıpio de conserva¸c˜ao da energia somente foram formalizadas a partir do trabalho de James Joule (1818-1889). O trabalho de Sadi Carnot (1796 - 1832) apresentado em 1824 e que formulou a quantidade m´axima de trabalho que pode ser obtida a partir de uma quantidade determinada de calor,
1M´edico e f´ısico alem˜ao nascido em Heilbronn (Wurttemberg). Em 1841, publi-
cou seu trabalho intitulado “On the Quantitative and Qualitative Determination of Forces”, que, embora n˜ao tenha recebido devido reconhecimento pela comunidade cient´ıfica, na ´epoca, tornou-o pioneiro na formula¸c˜ao do princ´ıpio da equivalˆencia entre trabalho mecˆanico e energia t´ermica, do qual deriva o primeiro princ´ıpio da termodinˆamica (princ´ıpio da conserva¸c˜ao de energia).
constitui a base fundamental da segunda lei da termodinˆamica. Con- tribu´ıram tamb´em para a formula¸c˜ao da segunda lei da termodinˆamica, os trabalhos de Rudolf Julius Emanuel Clausius (1822 - 1888), espe- cialmente o estudo sobre a teoria mecˆanica do calor apresentada em 1850 e a formula¸c˜ao do termo Entropia, proposta, pela primeira vez da seguinte forma:
[...] posto que sou da opini˜ao de que os nomes de quantidades deste tipo - t˜ao importantes para a ciˆencia - devem-se extrair de linguagens antigas com o fim de introduzi-los sem modifica¸c˜oes nas linguagens modernas, proponho [...] o nome de Entropia [...] partindo da palavra grega trop´e que significa transforma¸c˜ao. Intencionalmente formei o termo entropia de maneira tal que fique o mais parecido poss´ıvel ao termo energia: em efeito, ambas as quantidades est˜ao estritamente ligadas desde o ponto de vista do significado f´ısico que me parece ´util certa analogia em seus nomes. Fonte: Silvestrini (2000).
Igualmente importante ´e a contribui¸c˜ao de William Thomson (Lord Kelvin), que em 1851 estudou sobre os preceitos apresentados original- mente por Sadi Carnot sobre perda de energia mecˆanica. Em 1852, Thomson publicou o trabalho intitulado “Sobre uma tendˆencia uni- versal na natureza para a dissipa¸c˜ao da energia mecˆanica2, no qual ele esbo¸ca os rudimentos da segunda lei da termodinˆamica, baseando-se na vis˜ao de que o movimento mecˆanico e a energia usada para criar este movimento tende a dissipar-se ou decair, naturalmente. Em 1879, M. Plank apresentou seu trabalho relacionada ao segundo teorema fun- damental da teoria mecˆanica do calor. J´a o conceito de “trabalho m´aximo” foi introduzido a partir do trabalho de J. W. Gibbs (1839- 1903), que utilizou o termo “energia dispon´ıvel”, conduzindo, desse modo, `a formula¸c˜ao matem´atica da segunda lei da termodinˆamica. Assim, concluiu que o trabalho que pode ser obtido a partir de uma maquina t´ermica ´e sempre menor do que o trabalho m´aximo devido as irreversibilidades que acompanham os processos naturais. Em 1889, Gouy apresenta o trabalho “Sur L’energie utilisable”, que mostra que essa perda de trabalho corresponde ao produto entre a entropia gerada e a temperatura do ambiente. Esse achado foi tamb´em atribu´ıdo a A. Stodola, em 1910, dando origem ao teorema ou lei de Gouy-Stodola.
2Em inglˆes“On a universal tendency in nature to the dissipation of mechanical