Este trabalho apresenta um estudo de três casos analisando sistemas de produção de energia a partir de resíduos sólidos urbanos. Os cenários demonstram a viabilidade em termos de eficiência energética e sustentabilidade da utilização de resíduos sólidos urbanos na produção de energia.
Formulação do Problema
Neste primeiro capítulo é apresentada uma abordagem teórica sobre a geração de energia a partir de resíduos sólidos urbanos, onde a utilização do ciclo Rankine, do ciclo Brayton e de motores de combustão interna determinará o processo de máquinas térmicas para o consumo energético dos resíduos. Dessa forma, há uma proposta de aproveitamento de resíduos sólidos urbanos em máquinas termelétricas para analisar a viabilidade técnica de seu uso e a melhor configuração para atender as expectativas de geração de energia elétrica.
Justificativa
Objetivos
Geral
Específicos
Estrutura do Trabalho
Sustentabilidade
A partir dessa evolução e construção conceitual, a sustentabilidade foi definida como três pilares relacionados, de modo que a interação entre dois dos três resultou em novos relacionamentos, conforme pode ser observado na Figura 4 (OLIVEIRA, 2012). Desta forma, o desenvolvimento sustentável é aquele que melhora a qualidade de vida na terra e respeita a capacidade produtiva do ecossistema explorando de forma eficaz o potencial dos recursos existentes.
Resíduos Sólidos Urbanos
A distinção entre resíduos é de extrema importância devido ao tratamento dado a cada resíduo em termos de coleta, transporte e destinação final. A discussão socioambiental da destinação final dos resíduos sólidos tornou-se tema essencial na política pública das organizações empresariais de defesa dos interesses sociais, econômicos e ambientais.
Aterro Sanitário
Dúvidas sobre alternativas de reaproveitamento de resíduos têm sido levantadas para sanar as dificuldades enfrentadas pelo excesso de resíduos gerados no mundo e reduzir custos operacionais. Algumas das principais razões para a utilização de resíduos são a sua utilização como combustível em sistemas de produção de energia; resíduos orgânicos utilizados na adubação; Apesar de ser um dos métodos mais utilizados e valorizados, enfrenta limitações devido ao aumento da população e dos centros urbanos, aumentando assim a produção de resíduos sólidos descartados.
Portaria/Gateway: local onde são recebidos, inspecionados e controlados os caminhões e veículos que chegam ao aterro. Área de disposição de resíduos: local destinado ao depósito de resíduos que atendem às normas técnicas e ambientais vigentes, com sistemas básicos de impermeabilização e drenagem de lixiviados, pluviais e gases.
Geração de Energia Elétrica a Partir do Biogás
Essa metodologia é usada para calcular as emissões de metano de resíduos sólidos em países ou regiões específicas. A equação (5) calcula assim a produção de metano durante o tempo de recebimento dos resíduos e a equação (6) calcula a produção de metano após o fechamento do aterro. L0 é o potencial de produção de metano [m3 / tonelada de resíduo]; k a constante de taxa de geração de metano [𝑎𝑛𝑜−1]; c tempo desde o encerramento dos aterros de resíduos sólidos [anos]; t tempo desde a abertura dos aterros [anos].
A metodologia teórica de decaimento de primeira ordem considera a geração de metano a partir de certa quantidade de rejeitos depositados no ano "x". A equação (8) calcula a soma das quantidades correspondentes de metano residual despejado no aterro a cada ano.
Produção de Energia
As usinas hidrelétricas utilizam a vazão de água como combustível para gerar eletricidade, para aproveitar a força da água nas cachoeiras dos rios, estuda-se o melhor local para a construção. Uma das inovações mais importantes no setor de produção de energia limpa são os Centros Geradores Eólicos, onde sua geração ocorre por meio da conversão de energia cinética translacional em energia cinética rotacional do vento, utilizando turbinas eólicas, para geração de eletricidade. Novos estudos buscam formas viáveis e eficientes de expandir a produção de energia renovável, incluindo a queima de resíduos sólidos urbanos para gerar eletricidade.
Inicialmente, os resíduos sólidos eram utilizados para geração de energia elétrica através do aproveitamento do biogás produzido em aterros sanitários, mas outra forma de combustível para geração de energia é a incineração de resíduos previamente selecionados por meio de coleta seletiva. Dois fatores positivos podem ser identificados como impulsionadores da incineração de resíduos sólidos, a saber: a incineração reduz a quantidade de resíduos em 90 a 95% e o calor da incineração possibilita a geração de eletricidade.
Ciclo Rankine
Onde: 𝑊̇𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎 é a potência produzida pela turbina, 𝑚̇ é a vazão mássica do fluido de trabalho e h3 e h4 são as entalpias específicas na entrada e saída da turbina, respectivamente. No condensador, o vapor é condensado por meio de um líquido refrigerante (geralmente água de resfriamento, na qual a temperatura da água de resfriamento aumenta), transferindo calor do líquido quente para o líquido frio. Desta forma, o fluido de trabalho completa o ciclo quando o fluido sai da bomba e alimenta a caldeira, depois é aquecido até a saturação e vaporizado na caldeira.
As perdas nas turbinas representam a maior perda de desempenho do ciclo real em relação ao ciclo Rankine ideal, pois decorrem do escoamento do fluido de trabalho pelos dutos e pás da turbina e transferência de calor para o ambiente. As perdas da bomba são semelhantes às que ocorrem em uma turbina, principalmente devido ao fluxo de fluido.
Caldeira de Grelha – Mass Burning
Observe que as perdas por bombeamento são menores porque a potência utilizada para acionar as bombas é muito menor que a potência produzida nas turbinas (BORGNAKKE et al., 2009). No condensador as perdas são ainda menores, o que ocorre no resfriamento abaixo da temperatura de saturação do líquido que sai da lâmpada (BORGNAKKE et al., 2009). Existem dois tipos de sistemas – caldeiras de sobrealimentação que alimentam combustível acima da grelha e ar abaixo da grelha, e caldeiras de subalimentação que alimentam combustível e ar abaixo da grelha.
Tal como o anterior, também tem dois tipos básicos, nomeadamente alimentação horizontal com descarregador de cinzas lateral e alimentação por gravidade com descarregador de cinzas. A Figura 10 mostra uma caldeira de subalimentação com descarregador lateral de cinzas que permite a identificação de seus componentes (EPA, 2007; ORNL, 2002).
Turbina a Gás
O modo aberto é o mais comum e tem como princípio de funcionamento um motor onde o ar atmosférico é enviado para um compressor e comprimido até que a pressão suba. O ar é então liberado na câmara de combustão, misturado com o combustível e o processo de combustão ocorre, criando um produto de alta temperatura. O diagrama que representa os processos pode ser visto na Figura 12a no diagrama P-v e na Figura 12b no diagrama T-s.
A partir do compressor, com estado 1, é possível determinar a entalpia h1 e a pressão relativa Pr1, e se o compressor for considerado isentrópico, pode-se usar a taxa de compressão para determinar também a pressão relativa no estado ideal 2 para determinar. que a pressão P2. Conhecendo a entalpia ideal h4i e a pressão ideal Pr4i levando em consideração uma expansão isentrópica, é possível determinar a pressão P4 por (NEVES, 2017):.
Microturbinas a Gás
Algumas das desvantagens do uso de microturbinas a gás são seu alto custo, eficiência com cargas parciais questionáveis, experiência limitada no uso da tecnologia e ruído de alta frequência (CARVALHO et. al., 2007). Uma boa alternativa para reduzir a emissão de poluentes e obter o máximo ganho em energia conservada é o uso de biocombustíveis gasosos ou líquidos criados a partir de produtos orgânicos naturais de origem vegetal ou animal. Modularidade: As unidades podem ser conectadas em paralelo a cargas maiores para fornecer energia de forma confiável.
As microturbinas produzem calor residual nos gases de escape em uma faixa de temperatura entre 200 e 350°, o que é adequado para fornecer energia térmica a.
Motor de Combustão Interna
Ciclo Diesel
O ciclo diesel proposto por Rudolph Diesel na década de 1890 utiliza a classificação dos motores de ignição por compressão. São motores que não precisam resolver problemas de combustão espontânea, o que tem a vantagem de poder usar combustíveis mais baratos (Çengel este ciclo é considerado ideal, e que a adição de calor ocorre a pressão constante, que começa com o pistão em ponto morto superior A equação referente ao processo de adição de calor a pressão constante no motor pode ser descrita como (CARVALHO, 2011): .
Considerações Finais
Tipo de Pesquisa
Quanto aos procedimentos técnicos, a pesquisa bibliográfica é baseada na utilização de livros e trabalhos acadêmicos, impressos ou digitalizados e obtidos via Internet, bem como em dados obtidos por meio de estudos de caso e experimentos. Segundo Yin (2001), o estudo de caso envolve um estudo meticuloso e exaustivo de um ou mais objetos de forma que permita seu conhecimento amplo e detalhado, com a lógica de planejamento, coleta e análise de dados. Para Gil (1999), os exemplos mais característicos desse tipo de pesquisa são as investigações sobre ideologias ou aquelas que propõem a análise de diferentes posições a respeito de um problema.
Com base nas informações apresentadas, este trabalho, no que diz respeito à abordagem de uma pesquisa, consiste em uma pesquisa qualitativa, pois se baseia na interpretação e análise de dados e quantitativa, pois utiliza dados numéricos, cálculos e processo de análise estatística. A análise e compreensão dos parâmetros dos ciclos enquadra-se ainda num estudo de caso sobre o qual será feita uma observação e melhor detalhe, para que o investigador exponha o seu ponto de vista sem interferir no objeto em estudo.
Materiais e Métodos
Variáveis e Indicadores
Instrumento de Coleta de Dados
Tabulação de Dados
Considerações Finais do Capítulo
O objetivo deste capítulo é apresentar os resultados da pesquisa sobre o uso de gás de aterro sanitário para produção de energia e motores térmicos.
Caso 1: Análise técnica de um sistema de geração de energia usando biogás de aterro
Com o auxílio de bibliografias complementares, foi possível estimar a geração de resíduos sólidos urbanos e biogás até 2040 para as cidades. Pode-se observar na Tabela 10 que a cidade de Belo Horizonte apresentou uma estimativa maior de geração de resíduos sólidos urbanos em relação a Betim. Devido à sua maior população e taxa de geração de resíduos, Belo Horizonte tem uma maior geração de metano global e utilizável.
As Tabelas 12 e 13 mostram que a vazão mássica de biogás para a cidade de Belo Horizonte é maior que a de Betim no cenário 2 devido a sua maior geração de resíduos sólidos. Há uma diferença de comportamento entre os cenários devido à diferença populacional e na produção de resíduos sólidos urbanos e biogás entre as cidades.
Conclusão
O segundo estudo de caso envolveu diferentes variações para as condições de operação apresentadas utilizando microturbinas a gás e mostra que o ciclo regenerativo oferece boa eficiência elétrica e térmica, principalmente para a temperatura de entrada da turbina igual a 1200K com razão de pressão igual a 4 sendo os valores mais altos. obtido para eficiência do compressor de 0,80, eficiência da turbina de 0,83 e eficiência do regenerador de 0,80, com valores variando entre 33,6 e 34,3% e 35 e 36% respectivamente. O terceiro estudo de caso incluiu três cenários diferentes para o ciclo do vapor usando uma caldeira de combustão em massa e coletando dados de resíduos sólidos de Belo Horizonte e Betim. Desta forma, observa-se uma menor eficiência no estudo de caso 3 devido à diferença de combustível e equipamentos utilizados.
Assim, por meio do estudo de caso, fica comprovado que a utilização de motores a diesel é compatível com a utilização de metano como combustível. As tecnologias apresentadas mostram que o aproveitamento dos resíduos sólidos urbanos pode ser uma alternativa tecnicamente viável para a produção de energia elétrica.
Recomendações
Análise técnica de um sistema de geração de energia a partir de resíduos sólidos urbanos e caldeira de queima de massa: o caso de dois municípios mineiros. Estudo do Potencial de Geração de Energia a partir de Resíduos de Saneamento (lixo, esgoto), com o objetivo de aumentar o uso do biogás como fonte alternativa de energia renovável. Estudo do desempenho de microturbinas a gás utilizando biogás de resíduos sólidos urbanos para geração de energia elétrica.
Análise técnica de um sistema de produção de energia elétrica utilizando biogás para aterros sanitários e máquinas térmicas. Estudo de caso dos possíveis efeitos nocivos causados pelo combustível derivado de resíduo (CDR) em caldeiras para fins de produção de energia elétrica, principalmente queima de bagaço de cana-de-açúcar.
