Ana Júlia Junqueira Victaliano
Análise comparativa para geração de energia elétrica por
fontes alternativas utilizando software de simulação
Lorena
2019
ANA JÚLIA JUNQUEIRA VICTALIANO
Análise comparativa para geração de energia elétrica por
fontes alternativas utilizando software de simulação
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Escola de Engenharia de Lorena da Universidade de São Paulo como requisito para conclusão da graduação em Engenharia de Materiais.
Área de Concentração: Energias Renováveis. Orientadora: Profa. Doutora Rosa Ana Conte
Lorena 2019
Autorizo a reprodução e divulgação total ou parcial deste trabalho, por qualquer meio convencional ou eletrônico, para fins de estudo e pesquisa, desde que citada a fonte.
Ficha catalográfica elaborada pelo Sistema Automatizado da Escola de Engenharia de Lorena,
com os dados fornecidos pelo(a) autor(a)
Victaliano, Ana Julia Junqueira
Análise comparativa para geração de energia elétrica por fontes alternativas utilizando software de simulação / Ana Julia Junqueira Victaliano; orientador Rosa Ana Conte. - Lorena, 2019. 82 p.
Monografia apresentada como requisito parcial para a conclusão de Graduação do Curso de Engenharia de Materiais - Escola de Engenharia de Lorena da Universidade de São Paulo. 2019
1. Biomassa. 2. Capim elefante. 3. Biocarvão. 4. Iterf. 5. Energia renovável. I. Título. II. Conte, Rosa Ana, orient.
DEDICATÓRIA
Dedico este trabalho a toda minha família, em especial aos meus pais, Maria Fernanda e Wagner, ao meu namorado, Gustavo, ao meu irmão, Wagner, a minhas avós, Irene e Maria José e por todos que estiveram ao meu lado nesta longa e incrível jornada.
AGRADECIMENTOS
"Se você pode sonhar, você pode fazer". É com essa frase do Walt Disney que chego ao fim de um ciclo que durante 18 anos da minha vida foi um sonho, e agora, 5 (quase 6) anos, se torna realidade.
Me formar em Engenharia na USP é um grande sonho e conquista, e algumas pessoas foram essenciais para chegar onde estou. Primeiramente, meus pais, Maria Fernanda e Wagner, e meu irmão Neto, obrigada! Por serem a melhor família que eu podia ter, por todo o suporte, dedicação, carinho e amor durante todos esses anos, sem vocês eu não seria nada. Gustavo, meu namorado e companheiro da vida, por toda ajuda, paciência e amor durante esses 4 anos e pelo resto da vida, sendo fundamental no caminho que estou trilhando e parte do meu sucesso. À toda a minha família, Junqueira's e Victaliano's, por me mostrarem o sentido de família, união e amor, e em especial para as minhas avós, Zezé e Irene, pela pessoa íntegra que eu estou me tornando, vou orgulhar muito vocês, e à minha madrinha Ana Celia, pelo amor incondicional e uma das minhas inspirações!
Agradeço muito minhas amigas de São Paulo, por todo apoio mesmo com a distância. Agradeço também aos meus amigos de Lorena, em especial, Nina e Gabriela, à minha República BrejaFlor, Materiais014, Atlética e Handebol, um obrigado com o sentimento de dever cumprido e de amor eterno por esse sentimento!
Serei também eternamente grata por meus dois estágios, na Eaton e na Cielo, por me construírem profissionalmente e serem o início de uma carreira de muito sucesso que está por vir. A faculdade ensinou a teoria, mas a prática foi muito bem aprendida com vocês,Thales e Ana, principalmente.
Por fim, mas não menos importante, obrigada professora Rosa e professor Pinatti pela dedicação nesse trabalho. Obrigada professora Katia, pela parceria e confiança em todo minha passagem acadêmica e a todos os meus professores por construírem quem eu sou e me qualificarem tão bem para a vida.
EPÍGRAFE
“Aprendi que coragem não é a ausência de medo, mas o triunfo sobre ele. O homem corajoso não é aquele que não sente medo, mas o que conquista esse medo”.
VICTALIANO, A. J. J. Análise comparativa para geração de energia elétrica por
fontes alternativas utilizando software de simulação. 2019 78p. Trabalho de
conclusão de curso (Graduação do curso de Engenharia de Materiais) – Escola de Engenharia de Lorena, Universidade de São Paulo, Lorena, 2019.
RESUMO
O presente trabalho teve como objetivo simular uma planta termoelétrica utilizando biomassa de capim elefante e biocarvão como matérias primas, avaliando a alteração de desempenho conforme varia a fração de ambas. Para a simulação foi utilizado o software System Advisor Model (SAM), um programa do governo dos Estados Unidos que disponibiliza simulações de plantas renováveis, podendo-se gerar também resultados financeiros da implantação destas usinas. Os parâmetros de desempenho energético e financeiro utilizados foram com base na realidade brasileira, visando aproximar os resultados para possíveis aplicações nacionais. Conseguiu-se, com a utilização de um programa de simulação feito para condições de países desenvolvidos e totalmente inadequadas para as condições de países de clima tropical, cuja predominância é de fontes renováveis, simular plantas com a opção de um mix de capim elefante de alta produtividade (3 cortes por ano) e biocarvão vindo da digestão anaeróbia enquanto a disponibilidade de biocarvão não for suficiente, sendo obtidos resultados significativos e relevantes para os estudos de usinas termoelétricas à biomassa. Pôde-se também confirmar que a ITERF é viável tanto no quesito desempenho energético quanto financeiro.
VICTALIANO, A. J. J. Comparative analysis for power generation from alternative
sources using simulation software. 2019 78p. Trabalho de conclusão do curso
(Graduação do curso de Engenharia de Materiais) – Escola de Engenharia de Lorena, Universidade de São Paulo, Lorena, 2019.
ABSTRACT
The present work aims to simulate a thermoelectric plant using elephant grass biomass and biochar as raw materials, evaluating the performance change as the fraction of both varies. For the simulation we used the System Advisor Model (SAM) software, a program of the United States Government that provides simulations for renewable plants and can also generate financial results from the implementation of those plants. The performance and financial parameters were based on the Brazilian reality, aiming to approximate the results to possible national applications. Using a simulation program designed for developed country conditions and totally unsuitable for tropical climate countries, with a predominance of renewable sources, simulated plants with the option of a high elephant grass mix yield (3 cuts per year) and biochar from anaerobic digestion while the availability of biochar is not sufficient, and significant and relevant results were obtained for studies of biomass power plants. It could also be confirmed that ITERF is viable in both energy and financial performance.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Log do consumo per capita vs log do PIB per capita para todos os países
analisados entre1990 e 2014...17
Figura 2 - Matriz elétrica brasileira em 2017...18
Figura 3 - Matriz de Energia Elétrica brasileira – potência instalada por fonte...20
Figura 4 - Fluxograma do processo de geração energia de biomassa...26
Figura 5 - Rotas tecnológicas de conversão energética da biomassa...32
Figura 6 - Diagrama esquemático dos processos de conversão energética da biomassa...32
Figura 7 – Configuração de uma pequena UTE ...36
Figura 8 - Eficiência do ciclo Rankine e contribuição das fontes térmicas em função da pressão e da temperatura ...36
Figura 9 - Estrutura do SAM ...39
Figura 10 - Modelos de desempenho energético e financeiro...40
Figura 11 - Abas de parâmetros do SAM...43
Figura 12 -Interface do SAM para inclusão da localização...44
Figura 13 -Interface do SAM com resumo das informações da biomassa...45
Figura 14 – Comparação da energia elétrica gerada conforme se varia as frações de capim elefante e biocarvão ...56
Figura 15 – Comparação da taxa líquida de calor e da eficiência térmica líquida...57
Figura 16 – Economia líquida e potência nas simulações ...60
Figura 17 – Valor presente líquido ...61
Figura 18 – Período de retorno simples e com descontos nas simulações ...61
Figura 20 –Projeção da geração de energia anual, simulação II ...71
Figura 21 –Projeção da geração de energia anual, simulação III ...72
Figura 22 –Projeção da geração de energia anual, simulação IV ...72
Figura 23 –Projeção da geração de energia anual, simulação V ...73
Figura 24 –Projeção da geração de energia anual, simulação VI ...73
Figura 25 –Projeção da geração de energia anual, simulação VII ...74
Figura 26 –Fluxo de caixa após descontos, simulação I ...75
Figura 27 –Fluxo de caixa após descontos, simulação II ...75
Figura 28 –Fluxo de caixa após descontos, simulação III ...76
Figura 29 –Fluxo de caixa após descontos, simulação IV ...76
Figura 30 –Fluxo de caixa após descontos, simulação V ...77
Figura 31 –Fluxo de caixa após descontos, simulação VI ...77
Figura 32 –Fluxo de caixa após descontos, simulação VII ...78
Figura 33 – LCOE nominal e real nas simulações ...79
Figura 34 – Tendência do custo líquido de capital em comparação com a potência elétrica estimada ...79
Figura 35 – Tendência do capital próprio em comparação com a potência elétrica estimada...80
Figura 36 – Tendência do débito em comparação com a potência elétrica estimada...80
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Taxas de crescimento do PIB (médias no período) ...17
Tabela 2 – Empreendimentos em Operação no Brasil...20
Tabela 3 – Capacidade instalada por região no Brasil em 2019 (MW)...21
Tabela 4 – Empreendimentos previstos para os próximos anos no Brasil...21
Tabela 5 – Empreendimentos previstos para os próximos anos por região...22
Tabela 6 – Classificação de fontes de energia...23
Tabela 7 – Capacidade Instalada de Geração Elétrica de usinas de biomassa em 2017...25
Tabela 8 – Produção de biomassa seca (t/ha ano) e PCI – base seca para diferentes matérias primas...28
Tabela 9 – Custo do kWe em reais para implantação de uma usina termoelétrica...37
Tabela 10 – Custos de implantação de uma usina termoelétrica...37
Tabela 11 – Variações de quantidade das matérias primas para simulação...43
Tabela 12 – Dados climatológicos de São Paulo...44
Tabela 13 – Parâmetros de especificação da Planta...47
Tabela 14 – Custos diretos da planta...49
Tabela 15 – Custos indiretos da planta...49
Tabela 16 – Custos totais da planta...49
Tabela 17 – Custos com capim elefante...50
Tabela 18 – Parâmetros financeiros...51
Tabela 19 – Parâmetros de saída...54
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica
BEN Balanço Energético Nacional
BIG Banco de Informações de Geração
CAD Concreto de Alto Desempenho
CGH Central Geradora Hidrelétrica
CGU Central Geradora Undi-elétrica
CPTS Coletor Parabólico Térmico Solar
EOL Central Geradora Eólica
EPE Empresa de Pesquisa Energética
GEE Gases de Efeito Estufa
IEA International Energy Agency
IERT Integração das Energias Renováveis Tropicais ITERF Integração Total das Energias Renováveis e Fósseis
LCOE Levelized Cost of Energy
MME Ministério de Minas e Energia
NREL National Renewable Energy Laboratory
OSF Orgânicos Separados na Fonte
PCI Poder Calorífico Inferior
PCH Pequena Central Hidrelétrica
PIB Produto Interno Bruto
PPA Power Purchase Agreement
PROINFA Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica
SAM System Advisor Model
TBS Tonelada de Biomassa Seca
UFV Central Geradora Solar Fotovoltaica UFV Central Geradora Solar Fotovoltaica
UHE Usina Hidrelétrica
UTE Usina Termoelétrica
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ... 15
1.1. Objetivos ... 15
2. CONTEXTUALIZAÇÃO ... 16
2.1. Histórico da energia ... 16
2.2. Cenário atual brasileiro ... 16
2.2.1. As fontes no Brasil ... 19 2.3. Energia Renovável ... 22 2.3.1. Energia de Biomassa ... 24 3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 27 3.1. Biomassa ... 27 3.1.1. Capim elefante ... 28 3.1.2. Biocarvão ... 29
3.1.3. As tecnologias de conversão energética da biomassa ... 30
3.1.4. Integração Total das Energias Renováveis e Fósseis – ITERF ... 33
3.1.5. Aspectos econômicos ... 37 3.2. O Software SAM ... 39 4. METODOLOGIA ... 41 4.1. Tipo de Estudo ... 41 4.2. Etapas ... 41 5. ESTUDO DE CASO... 42 6. RESULTADOS ... 55 7. DISCUSSÃO ... 56 8. CONCLUSÃO ... 63 REFERÊNCIAS ... 67 APÊNDICE A ...71 APÊNDICE B ...75
APÊNDICE C ...79 APÊNDICE D ...81
15
1. INTRODUÇÃO
No desenvolvimento da humanidade as fontes de energia convencionais sempre foram, em sua maioria, obtidas por meio de atividades puramente extrativistas. As atividades deste tipo eram desprovidas de preocupação com a quantidade restante e com os estragos causados ao meio ambiente.
Esse consumo desenfreado perdurou até meados do século XX, quando o mundo se sensibilizou com os impactos dessas atividades. Além disso, as questões ambientais passaram a ser destaque em conjunto com a limitação das fontes. Desmatamento desenfreado, emissão de carbono e aquecimento global tornaram-se discussão no mundo todo (FREITAS, 2016).
A necessidade de se buscar fontes alternativas tornou-se imprescindível para suprir a demanda de energia mundial no longo prazo e para manter a sustentabilidade. Para isso, muitas fontes alternativas surgiram como soluções, tendo destaque para a energia eólica, solar e de biomassa. Todas elas possuem vantagens e desvantagens, principalmente por conta de necessidade de desenvolvimento tecnológico gerando alto custo de implantação, visto que é necessário investimento para se tornarem economicamente viáveis.
No Brasil, o cenário é favorável, uma vez que as fontes energéticas são, em sua maioria, renováveis. Entretanto, o foco de uma só, especificamente a hidráulica, gera dependência de chuvas, o que, em tempos de seca, pode resultar em falta de energia no País todo, uma vez que o sistema de transmissão de energia é interligado (fonte limitada de recurso).
1.1. Objetivos
O aumento da demanda de energia elétrica mundial, unida à conscientização da necessidade de preservação ambiental, resulta na busca de fontes alternativas para a geração de energia elétrica. O principal objetivo é fazer uma análise comparativa de duas fontes térmicas, biomassa e biocarvão, utilizando o software System Advisor Model (SAM) como recurso para simulá-las. Partindo desse objetivo, têm-se os seguintes objetivos específicos:
• Apresentar o contexto brasileiro de fontes de energia; • Expor os recursos brasileiros disponíveis;
16 • Difundir as tecnologias disponíveis e conceitos básicos;
• Apresentar parâmetros econômicos;
• Introduzir o software System Advisor Model (SAM);
• Simular, com parâmetros brasileiros, a planta escolhida com suas respectivas matérias-primas; e
• Analisar os resultados das simulações e as possibilidades de implantação no Brasil de unidades termoelétricas (UTEs) usando fontes renováveis.
2. CONTEXTUALIZAÇÃO 2.1. Histórico da energia
Durante a Revolução Industrial, a necessidade de se gerar grande quantidade de energia fez com que inúmeras inovações tecnológicas acontecessem. Uma delas foi a utilização do carvão vegetal para a geração de energia.
Com o carvão vegetal, foi possível obter grande quantidade de energia, que era utilizada no aquecimento da água, gerando vapor para se utilizar nas máquinas e motores a vapor.
Com o passar dos anos, as máquinas foram sendo aprimoradas e a busca por novas matérias-primas para serem utilizadas como fontes energéticas foram aumentando. Com isso, o carvão mineral e o petróleo se tornaram as principais fontes de energia do mundo e seus derivados tornaram-se os combustíveis para as máquinas e matéria-prima para obtenção de vários materiais. No entanto, existem inúmeras questões ambientais relevantes que fazem repensar o uso do carvão mineral e petróleo como principais fontes energéticas.
2.2. Cenário atual brasileiro
Nos dias de hoje muito se discute sobre o futuro, o crescimento populacional e as tecnologias que estão sendo desenvolvidas para acompanhar essa evolução. Um tópico muito abordado é a demanda energética e sua capacidade produtiva de energia elétrica.
A demanda energética de um país está diretamente relacionada ao produto interno bruto (PIB), ou seja, quanto mais um país cresce, maior é a necessidade de
17 energia para acompanhar essa evolução. Essa interrelação pode ser vista na figura 1, que mostra a variação de PIB e de consumo mundiais de energia.
Figura 1: Log do consumo per capita vs log do PIB per capita para todos os países analisados entre1990 e 2014.
Fonte: CARVALHO WERLANG; GELLER, 2018.
Para os próximos anos, a projeção é que o Brasil cresça cerca de 2,0% (MME:EPE, 2017), de acordo com a tabela 1.
Tabela 1: Taxas de crescimento do PIB (médias no período).
Indicadores Econômicos
Histórico Projeção
2006-2010 2011-2015 2017-2021 2022-2026 PIB Mundial (% a.a.) 3,90% 3,50% 3,70% 3,90% PIB Nacional (% a.a.) 4,50% 1,10% 2,00% (1) 2,90%
Fonte: MME:EPE, 2017.
(1) Valores atuais: 1,0% no segundo trimestre de 2019 (IBGE, 2019).
Refletindo a projeção de crescimento do PIB para os próximos anos, segundo o Plano Decenal de Energia 2027, a expectativa é que o consumo energético cresça aproximadamente 2,3% ao ano até 2027 (MME:EPE, 2016).
De acordo com o Balanço Energético Nacional, em 2017, a matriz elétrica brasileira estava baseada na fonte hidráulica, sendo responsável por 65,2% da geração total nacional, conforme mostra a figura 2. Contudo, houve redução de 3,4% da energia hidráulica disponibilizada no ano anterior; enquanto o consumo total de energia no Brasil aumentou 1,2% com relação a 2016 (MME:EPE, 2018).
18 Figura 2: Matriz elétrica brasileira em 2017.
Fonte: MME:BEN, 2017.
Entretanto, a usina hidrelétrica, por mais que seja considerada uma fonte limpa e renovável, acarreta inúmeros impactos no modo de vida da população, flora e fauna locais, permitindo a formação de grandes lagos ou reservatórios e aumentando o nível dos rios ou alterações em seu curso após o represamento (ANEEL, 2008). Com a consciência destes fatos, as novas hidrelétricas em construção são usinas que não possuem reservatórios, são usinas a fio d’água. A grande questão de não haver reservatório é que a dependência de chuvas se torna inevitável para a usina, o que limita a capacidade de geração de energia quando se está em tempos de seca. Consequentemente, a utilização de outras fontes é necessária para complementar a necessidade de energia.
Atualmente, as termoelétricas são utilizadas nessa adição de energia e as usinas nucleares são consideradas boas opções pelo grande potencial de geração para diversificar a matriz elétrica e complementar o déficit de energia advindo da falta de chuva.
Todavia, as duas opções citadas anteriormente para suprir a energia necessária podem não ser ideais. A utilização de termoelétricas convencionais faz aumentar o preço da geração (é mais cara do que a geração em hidrelétricas) e nela queima-se combustível fóssil, óleo ou carvão mineral, ambos importados pelo País.
Hidráulica 65,3% Carvão e Derivados 3,6% Nuclear 2,5% Derivados de Petróleo 3,0% Gás Natural 10,5% Solar 0,1% Eólica 6,8% Biomassa 8,2%
Potência (%)
19 Já a usina nuclear, apesar de não emitir GEE e gerar pouca quantidade de resíduos, é uma fonte que gera lixo nuclear radioativo, necessitando armazenagem em locais isolados e seguros, além de gerar risco de acidentes nucleares, o que torna esse tipo de energia não muito bem vista.
Como a energia elétrica é a maior força propulsora do PIB, é necessário primeiro ofertar a energia em grandes quantidades e por baixo preço para alavancar a industrialização. O Brasil sempre praticou o contrário, conseguindo acompanhar minimamente o baixo consumo de um país subdesenvolvido.
Para alcançar um nível de consumo energético dos países desenvolvidos (6 vezes o consumo per capita atual) o País precisaria de uma taxa de crescimento de geração energética de 7% a.a. durante 25 a 30 anos. As únicas fontes energéticas técnico-economicamente viáveis para este desafio são as de geração distribuída (solar térmica, biomassa-capim e eólica); hidráulica e fotovoltaicas são excluídas devido às suas limitações técnicas ou econômicas, nas condições atuais.
2.2.1. As fontes no Brasil
Atualmente, segundo o Banco de Informações de Geração da ANEEL, têm-se 7.440 empreendimentos em operação que geram energia elétrica no Brasil. A tabela 2 mostra as quantidades por tipo de empreendimento e suas respectivas potências fiscalizadas. A figura 3 apresenta a matriz de energia elétrica no Brasil por tipo de fonte.
20 Tabela 2: Empreendimentos em Operação no Brasil.
Tipo Quantidade Quantidade % Fiscalizada Potência (MWe) % Potência Fiscalizada Total 7.440 100,00 164.815 100,00 Central Geradora Hidrelétrica (CGH) (1) 703 9,45 717 0,43
Central Geradora
Undi-elétrica (CGU) (2) 1 0,01 0,05 0,00
Central Geradora
Eólica (EOL) 614 8,25 15.064 9,14
Pequena Central
Hidrelétrica (PCH) 425 5,71 5.217 3,17
Central Geradora Solar
Fotovoltaica (UFV) 2.472 33,23 2.100 1,27 Usina Hidrelétrica (UHE) 217 2,92 99.309 60,30 Usina Termoelétrica (UTE) (3) 3.006 40,40 40.418 24,50 Usina Termonuclear (UTN) 2 0,03 1.990 1,21 Fonte: ANEEL:BIG, 2019.
(1) Pequenas usinas que utilizam a força e pressão da água para gerar energia elétrica; (2) Usinas que geram energia elétrica por meio de ondas do mar; e
(3) incluindo geração por biomassa.
Figura 3: Matriz de Energia Elétrica Brasileira – potência instalada por fonte.
Fonte: ANEEL:BIG, 2019.
A tabela 3 mostra a atual capacidade instalada por região no Brasil.
Biomassa 8,5% Eólica 8,6% Fóssil 14,9% Hídrica 60,9% Nuclear 1,1% Solar 1,3% Importação 4,7%
Potência (%)
21 Tabela 3: Capacidade instalada por região no Brasil em 2019 (MWe).
Região Quantidade Quantidade % Instalada 2019 Capacidade (MWe) % Capacidade Instalada 2019 Brasil 7.440 100,00 164.815 100,00 Norte 2.913 39,15 31.173 18,91 Nordeste 1.028 13,82 36.597 22,20 Sudeste 2.074 27,88 40.787 24,75 Sul 944 12,69 31.941 19,38 Centro-Oeste 481 6,47 24.317 14,75 Fonte: ANEEL:BIG, 2019.
Além disso, a partir de 2019, para os próximos anos, está prevista uma adição de 20.570 MW na capacidade de geração, provenientes de 605 empreendimentos, sendo 223 em construção atualmente e 382 com construção ainda não iniciada, conforme mostrado nas tabelas a seguir.
As tabelas 4 e 5 mostram os empreendimentos previstos a partir de 2019 para os próximos anos por tipo e por região, respectivamente.
Tabela 4: Empreendimentos previstos para os próximos anos no Brasil.
Tipo Quantidade Quantidade % Outorgada (MWPotência
e) % Potência Outorgada Total 605 100,00% 23.315.902 100,00% Central Geradora Hidrelétrica (CGH) 5 0,83% 8.612 0,04%
Central Geradora Eólica
(EOL) 202 33,39% 6.198.485 26,58%
Pequena Central
Hidrelétrica (PCH) 125 20,66% 1.729.580 7,42%
Central Geradora Solar
Fotovoltaica (UFV) 120 19,83% 4.745.998 20,36%
Usina Hidrelétrica (UHE) 7 1,16% 800.900 3,43%
Usina Termoelétrica (UTE)
(1) 100 16,53% 6.793.463 29,14% Usina Termoelétrica à biomassa (UTE) (2) 45 7,44% 1.688.864 7,24% Usina Termonuclear (UTN) 1 0,17% 1.350.000 5,79% Fonte: ANEEL:BIG, 2019.
(1) Inclui usinas que utilizam as seguintes fontes: Gás Natural, Óleo Diesel, Calor de Processo do Gás Natural, Gás de Refinaria e Outros Energéticos de Petróleo.
(2) Inclui usinas com as seguintes matérias primas: Resíduos Florestais, Bagaço de Cana de Açúcar, Capim Elefante, Biogás (Floresta), Biogás Agroindustrial, Lenha, Biogás de resíduos urbanos, Licor Negro, Óleos vegetais.
22 Tabela 5: Empreendimentos previstos para os próximos anos por região
Região Quantidade Quantidade % Potência Outorgada (MW
e) % Potência Outorgada Brasil 605 100,00% 23.315.902 100,00% Norte 47 7,77% 1.173.581 5,03% Nordeste 282 46,61% 11.021.924 47,27% Sudeste 107 17,69% 1.015.172 4,35% Sul 94 15,54% 8.535.659 36,61% Centro-Oeste 75 12,40% 1.569.566 6,73% Fonte: ANEEL:BIG, 2019.
A tabela 3 mostra que a região Nordeste é atualmente a terceira em quantidade de empreendimentos em operação, mas tem o maior número previsto para os próximos anos, como mostrado na tabela 5, indicando boa previsão de crescimento na geração de energia.
Além disso, conforme observado na tabela 4, os tipos de empreendimentos com maior crescimento em quantidade e potência são as centrais geradoras eólicas (202), usinas termoelétricas (145), sendo 45 de biomassa, pequenas centrais hidrelétricas (125) e central geradora solar fotovoltaica (120), reafirmando o crescimento das usinas de fontes renováveis e sua importância no desenvolvimento da matriz elétrica brasileira.
2.3. Energia Renovável
Energia renovável é toda energia advinda de fontes que se renovam e não têm a possibilidade de esgotamento. As fontes chamadas limpas são aquelas que não consomem combustíveis fósseis, não produzem resíduos prejudiciais e, quando planejadas adequadamente, não afetam o meio ambiente. A tabela 6 apresenta os tipos de fontes e suas respectivas energias.
23 Tabela 6: Classificação de fontes de energia
Fontes Energia primária Energia secundária
Não-renováveis
Fósseis
Carvão mineral Termoeletricidade, calor, combustível
para transporte Petróleo e derivados
Gás natural
Nuclear Materiais físseis Termoeletricidade, calor
Renováveis
“Tradicional” Biomassa primitiva: lenha de desmatamento Calor “Convencional” Potenciais hidráulicos de médio e grande porte Hidroeletricidade
“Novas”
Potenciais hidráulicos de
pequeno porte Hidroeletricidade Biomassa “moderna”: lenha
replantada, culturas energéticas (cana-de-açúcar, óleos vegetais)
Biocombustíveis (etanol, biodiesel), termeletricidade, calor Outros Energia
solar/solar térmica Calor, eletricidade fotovoltaica Geotermal Calor e eletricidade
Eólica
Eletricidade Maremotriz e das
ondas Fonte: Revista USP, 2006.
As energias renováveis no Brasil têm grande participação na matriz elétrica, tendo sido de 80,4% em 2017. Ademais, de acordo com o Plano Decenal de Expansão de Energia 2027 (MME:EPE, 2016), a oferta interna de energias renováveis (matriz energética) apontava um crescimento de 43% em 2017 para 48% em 2022, sendo destaque o crescimento médio de 6,1% ao ano para energia eólica, solar, biodiesel e lixívia. (MME:EPE, 2016). No entanto, deve ser usada para fins mais nobres.
Dentre as fontes renováveis que se destacam no crescimento nos próximos anos, a energia eólica é que está recebendo maior investimento no Brasil, por conta do Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica (PROINFA). Com esse investimento, o custo de implantação desse tipo de geração de energia elétrica está diminuindo consideravelmente e a capacitação com novas tecnologias aumentando, e, unido ao grande potencial eólico nacional, resulta ao país uma ampliação da fonte eólica na matriz energética brasileira no médio e longo prazo, sendo uma das principais fontes secundárias de energia (PEREIRA et al, 2006). Nesta referência os dados foram baseados em torres eólicas de 50 m de altura. Nestas condições, os dados indicavam que o Estado de São Paulo praticamente não tinha
24 potencial eólico. O Governo do Estado de São Paulo discordou e contratou o Atlas Paulista de Energia Eólica para torres de 100 m de altura. O resultado indicou uma significativa potência eólica em potencial. Atualmente as torres estão com 150 m de altura (Lopes, 2016), construídas com pré-fabricados de concreto de alto desempenho. A tecnologia é a de geração distribuída com sequência de torres instaladas nos espigões entre os córregos. É completamente diferente da tecnologia atual das centrais eólicas com grandes pás, que são boas apenas para poucos sítios eólicos, como costas oceânicas, regiões árticas, dentre outros.
Em contra partida, a energia termoelétrica utilizando fontes de queima alternativas, que já tem bom desenvolvimento no Brasil, se mostra uma boa alternativa às energias tradicionais, visto que não necessita de grandes investimentos e não depende de condições climáticas, como vento, sol e localização, e que utiliza resíduos orgânicos como matéria-prima, o que é uma excelente opção ao descarte e oportunidade para reutilização de resíduos, além de ser uma fonte renovável.
2.3.1. Energia de Biomassa
Dentro do cenário de desenvolvimento e crescimento das fontes renováveis, a produção de energia utilizando a biomassa vem ganhando visibilidade.
Historicamente, a biomassa esteve sempre presente como fonte de energia, em lenha ou carvão, mas desde o último século novas fontes de biomassa estão ganhando destaque, visto que é uma fonte pouco poluente e renovável. A utilização da biomassa é extremamente vantajosa, uma vez que não emite dióxido de enxofre e as cinzas remanescentes são menos agressivas ao meio ambiente do que as geradas por combustíveis fósseis.
Segundo a Agência Internacional de Energia, aproximadamente 9% da energia primária mundial é advinda de biomassa e nos últimos anos vem crescendo muito quando se considera a utilização para geração de eletricidade e transporte, principalmente por conta do aumento no apoio para o desenvolvimento desse tipo de energia (IEA, 2017). O investimento nesse tipo de fonte é muito recomendado, visto que a quantidade de biomassa estimada existente na Terra é de cerca de 1,8 trilhões de toneladas (ANEEL, 2008). Considerando este volume e a eficiência das usinas em operação no mundo, a capacidade de geração de energia elétrica utilizando a fonte
25 de biomassa é de aproximadamente 11 mil TWh por ano a longo prazo, valor esse que equivale a mais da metade da energia elétrica que foi produzida em 2007 no mundo todo (19,9 mil TWh) (ANEEL, 2008).
Os países com maiores potenciais de produção de energia elétrica utilizando biomassa são os que possuem climas bons para a agricultura e grandes dimensões de terras cultiváveis.
Atualmente no Brasil a energia de biomassa corresponde a 8,5% da potência instalada, totalizando 14.505 MW. Do total das usinas brasileiras, a diversidade de tipos de biomassa é enorme, sendo utilizadas as seguintes: licor negro (lixívia), resíduos de madeira, carvão vegetal, capim elefante, biogás, casca de arroz, óleo de palmiste e bagaço de cana. A tabela 7 apresenta as potências instaladas por tipo de matéria-prima.
Tabela 7: Capacidade Instalada de Geração Elétrica de usinas de biomassa em 2017.
Matéria-prima Potência Instalada (MWe)
Bagaço 11.158 Lixívia 2.543 Resíduos de madeira 431 Biogás 135 Gás de Alto Forno 114 Casca de arroz 45 Carvão vegetal 43 Capim elefante (1) 32 Óleos vegetais 4 Fonte: MME:BEN, 2018.
(1) Usinas Sykué I e Flórida Clean Power do Amapá.
A geração de energia elétrica por meio da biomassa é semelhante ao processo de geração de uma termoelétrica convencional. A figura 4 ilustra o processo de transformação da biomassa em energia elétrica.
26 Figura 4: Fluxograma do processo de geração de energia de biomassa.
Fonte: JORGENSON; GILMAN; DOBOS, 2011.
Conforme mostra a figura acima, o processo de geração de energia elétrica a partir da biomassa inclui sistemas baseados em ciclos a vapor (que comumente utilizam combustíveis sólidos), sistemas baseados a motores de combustão e turbinas a gás.
A rota mais utilizada atualmente é a de ciclo de vapor, em que se queima a biomassa gerando calor e então este calor é utilizado na geração de vapor. Para viabilizar esse sistema, o custo-benefício e a viabilidade econômica são influenciados por fatores de distância entre a planta e a fonte de biomassa, custos de transporte e manuseio, pela umidade dos compostos e as tecnologias usadas na conversão energética (MME:EPE, 2007). No entanto, pensando na energia de biomassa de geração distribuída, esses custos não são mais limitantes.
O vapor gerado pela queima da biomassa pode ser utilizado individualmente em processos termodinâmicos, no qual se gera calor ou trabalho mecânico. A outra opção, que gera eficiência e rendimento melhores é a combinação destas duas aplicações, utilizando o processo de cogeração.
Ambos os processos têm como base teórica o ciclo Rankine, em que se evapora a água em uma caldeira, que movimenta a turbina, indo após para o condensador e
27 voltando para a caldeira. Este processo norteia o processo de geração de energia em termoelétricas.
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 3.1. Biomassa
A biomassa é caracterizada como qualquer matéria orgânica que possa ser transformada em energia térmica, mecânica ou elétrica. Como recurso energético, a biomassa é classificada nas seguintes categorias, segundo sua origem: florestal (madeira, principalmente), agrícola (soja, arroz, cana-de-açúcar, capim elefante, entre outros) e rejeitos urbanos e industriais (sólidos ou líquidos, como o lixo orgânico). Além das matérias primas, os derivados obtidos também são possíveis fontes energéticas (ANEEL, 2008).
A florestal é bastante utilizada em regiões menos desenvolvidas. Os processos de obtenção de energia utilizando esse tipo de biomassa são caracterizados pela baixa eficiência ou pela necessidade de grandes volumes de matéria-prima para produzir pequenas quantidades de energia. Ao processar a madeira para extração de celulose é possível extrair a lixívia, ou licor negro, que é utilizado como combustível em usinas de cogeração na própria indústria de celulose (ANEEL, 2008).
Já utilizando a do tipo agrícola é possível realizar produção em larga escala. A condição para essa produção em grande escala é a existência de extensa agroindústria e grandes plantações, sendo a biomassa conseguida pelo processamento dos resíduos dessas culturas. Por exemplo, da cana-de-açúcar é possível utilizar também o bagaço, a palha e o vinhoto; do beneficiamento de arroz, é utilizada a casca para geração de energia elétrica (ANEEL,2008). Em relação à queima de casca de arroz, destaca-se o empreendimento desenvolvido em Alegrete, RS, para geração de 5 MWe (Geração de Energia Elétrica de Alegrete) (RGE, 2018).
Para se escolher a biomassa mais adequada para respectiva aplicação, a eficiência energética é um dos fatores mais relevantes e deve ser levada em conta. O potencial energético depende, principalmente, do poder calorífico inferior (PCI), que é a quantidade de calor liberada na queima de um determinado combustível, descontando a energia que foi gasta para vaporizar a água. Como exemplo, para gerar 1 MWh de eletricidade, são necessárias em média duas toneladas de bagaço de cana com 50% de umidade. Já se essa umidade for reduzida para 15%, é necessária
28 somente uma tonelada para produzir a mesma quantidade de energia. (EMBRAPA, 2015).
A tabela 8 apresenta a produção de biomassa seca e o poder calorífico inferior para diferentes matérias primas.
Tabela 8: Produção de biomassa seca (t/ha ano) e PCI – base seca para diferentes matérias primas.
Matéria-prima Produtividade (t/ha ano) Massa específica (kg/m³) PCI (kcal/kg) Bagaço de Cana 15 – 20 120 – 150 3900 Capim Elefante 40 – 45 80 – 95 4100 Sorgo Biomassa 25 – 40 70 – 80 4000 Eucalipto 15 – 20 450 – 550 4340 Fonte: EMBRAPA, 2015. 3.1.1. Capim elefante
O capim elefante é uma gramínea de origem africana que vem sendo estudada como biomassa para geração de energia. Suas principais características são o crescimento rápido, tolerância a solo com pouca quantidade de nutrientes e boa produtividade.
Quando comparado a outras fontes, essas características são boas vantagens dado que o crescimento rápido gera um ciclo produtivo reduzido (seis meses), mantendo assim rebrotas viáveis, ou seja, permite de duas a quatro colheitas ao ano, podendo ser uma fonte de biomassa durante o ano todo. Também possui excelente produtividade por hectare, sendo em média de 45 toneladas de massa seca por hectare ao ano. Outra vantagem do capim elefante é que ele possui tolerância em solos pobres e baixa demanda por umidade, o que facilita seu crescimento em regiões mais secas ou pobres de nutrientes (PROJETO, 2016). O principal benefício no quesito sustentabilidade é que a cultura de capim elefante é muito eficiente para fixar CO2 atmosférico no processo de fotossíntese para produzir biomassa, o que contribui para a redução do efeito estufa.
Além disso, como insumo energético, o capim elefante possui características semelhantes às da cana-de-açúcar, que é atualmente a biomassa mais utilizada no Brasil, ou seja, é uma biomassa rica em fibras e lignina, com elevada relação carbono:nitrogênio e alto poder calorífico (EMBRAPA, 2015).
29 Para transformar o capim elefante em energia, o processo segue o seguinte fluxo: após a colheita, passa por um processo de secagem, em que se retira parte da umidade; posteriormente, segue por esteira até a máquina que pica as folhas e onde se retira o restante da umidade; em seguida, as folhas picadas são colocadas em uma caldeira, sendo queimadas e transformadas em energia térmica (CARDOSO, 2012).
A única questão negativa do processo é o transporte do capim elefante, uma vez que, sem passar pela secagem, o mesmo não pode ser amontoado, pois há chances de apodrecer e, após passar pela secagem, seu volume seco é muito grande, o que dificulta transportes para a picotagem e após, para a caldeira (CARDOSO, 2012). Esta desvantagem pode ser corrigida utilizando boas práticas de manejo do capim.
O capim elefante, além de ser utilizado como fonte de energia elétrica, pode ser aproveitado na produção de álcool pelo processo de gaseificação e hidrólise da biomassa e pode sofrer a pirólise e se transformar em carvão vegetal (CARDOSO, 2012). No entanto, essa alternativa teria custo muito alto, o que seria inviável.
3.1.2. Biocarvão
Outro tipo de biomassa que vem se destacando é a proveniente de rejeitos urbanos e industriais, os quais são utilizados para geração de energia térmica e, posteriormente, para geração de energia elétrica. Esse tipo de biomassa é bastante interessante, visto que é uma forma de reduzir os impactos do descarte de lixo (ANEEL, 2008).
Para produzir o biocarvão existem inúmeras técnicas, sendo a mais utilizada a pirólise lenta, que é a alteração térmica da biomassa em ambiente fechado em temperaturas relativamente baixas e com oxigênio limitado. Entretanto, existem outras técnicas, como a pirólise rápida e a carbonização hidrotérmica (NEUSATZ, 2018) e a biodigestão anaeróbia (KUNZ et al. 2019).
Biocarvão ou carvão de biomassa é um tipo de material adsorvente originário, convencionalmente, de resíduos agrícolas. É um sólido rico em carbono, obtido pela pirólise da biomassa (TRAZZI et al., 2018). Ele também é obtido na digestão anaeróbia de matéria orgânica do lixo, sendo um dos três produtos desse processo: biogás, fertirrigante e biocarvão (KUNZ et al., 2019).
30 A composição química e estrutural do biocarvão é muito variada, dependendo da biomassa utilizada. Entretanto, algumas propriedades estão em todos os biocarvões, como o alto teor de carbono e de aromaticidade (TRAZZI et al., 2018).
As aplicações mais comuns do biocarvão são de fixar o carbono e ao mesmo tempo melhorar as funções do solo, como aumentar o pH e a capacidade de troca de cátions, controlar a umidade e remover contaminantes. Ele é excelente fixador de carbono, pois tem lenta decomposição em solo (MACHADO, 2005). A ampliação do interesse nesse material está impulsionando pesquisas para aplicação em variadas áreas, entre elas a utilização dele para remover poluentes de solução aquosas, por ter características adsorventes, podendo ser comparado ao carvão ativado, com a vantagem de sua produção ser mais barata e requerer menos energia (NEUSATZ, 2018).
As publicações referentes ao biocarvão são, em sua maioria, sobre a aplicação em solo (NEUSATZ, 2018). Entretanto, existem novas aplicações que estão surgindo, como para purificar água e para tratamento de águas residuais, além de utilização como combustível para geração de energia térmica e posteriormente energia elétrica, que podem ser interessantes em futuras pesquisas.
3.1.3. As tecnologias de conversão energética da biomassa
Existem inúmeras técnicas para transformar a matéria-prima em energia, sendo cada uma específica para gerar certo derivado.
A primeira e mais simples delas é a combustão direta, em que se aquece a matéria-prima para geração de vapor, utilizada normalmente em fornos e fogões.
Outra opção é a carbonização ou pirólise, que consiste no aquecimento da matéria-prima, normalmente madeira, até aproximadamente 500ºC em uma atmosfera total ou parcialmente sem ar. Deste processo sai o carvão vegetal, que possui densidade energética muito maior que a da madeira utilizada originalmente no processo. Além do carvão vegetal, a pirólise gera alcatrão e ácido pirolenhoso (ANEEL, 2008).
Na gaseificação ocorrem reações termoquímicas envolvendo vapor quente e oxigênio, em que é possível transformar combustível sólido em gás, podendo ser
31 utilizado em motores e turbinas para geração de energia elétrica. Também é possível remover os componentes químicos que prejudicam o ambiente e a saúde, transformando a gaseificação em um processo limpo (ANEEL, 2008).
Tradicionalmente, a matéria orgânica do lixo é tratada por incineração, mas têm a desvantagem econômica e ambiental de produzir dioxinas e furanos quando a matéria orgânica reage com o cloro presente no lixo. A outra opção de tratamento da matéria orgânica do lixo é a compostagem, entretanto, requer a separação de alimentos cítricos e outros componentes do lixo orgânico para permitir que o processo se desenvolva; além disso, para os volumes de lixo orgânico doméstico gerados diariamente, economicamente, a compostagem não atenderia às necessidades de disposição adequada dessa fração do lixo doméstico. A opção viável economicamente é a digestão anaeróbia, se utilizado o material adequado para superar a geração de gases corrosivos durante a reação e alcançar produtividade de biogás de 160 m3/TBS para um teor de massa seca de 15%. Os produtos gerados são biogás, fertirrigante e biocarvão (matéria orgânica não digerida) (KUNZ et al., 2019).
A digestão anaeróbia é um processo bastante utilizado no tratamento de dejetos orgânicos, que consiste na decomposição da matéria-prima pela ação de bactérias na ausência de ar. O produto final da digestão é o biogás, composto por metano e dióxido de carbono (ANEEL, 2008).
Existe ainda a fermentação, na qual os açúcares das plantas são convertidos em álcool pela ação de microorganismos, geralmente leveduras. O resíduo sólido produzido é utilizado em usinas termoelétricas para produzir eletricidade (ANEEL, 2008).
A última técnica é a transesterificação, que é a reação de óleos vegetais com um produto intermediário ativo, advindo da reação entre metanol/etanol e uma base. Os derivados resultantes são a glicerina e o biodiesel (ANEEL, 2008).
Cada uma destas técnicas que utilizam biomassa possui diferentes rotas de acordo com seu tipo de processamento, conforme mostrado na figura 5 abaixo.
Além da classificação por tecnologia, o processo de conversão pode ser classificado pela fonte de biomassa, segundo apresenta a figura 6.
32 Figura 5: Rotas tecnológicas de conversão energética da biomassa.
Fonte: MME:EPE, 2007.
Figura 6: Diagrama esquemático dos processos de conversão energética da biomassa.
33
3.1.4. Integração Total das Energias Renováveis e Fósseis – ITERF
Devido à vasta extensão territorial e ao clima equatorial, o Brasil apresenta um grande potencial para desenvolver ainda mais a tecnologia de biomassa como recurso energético, aliando a ela outras fontes renováveis como a energia solar e eólica. Desde 2010, Pinatti e colaboradores vêm desenvolvendo no DEMAR EEL USP o conceito da integração total das energias renováveis e fósseis (ITERF) visando a um sistema energético limpo e sustentável. A base desse conceito é o concreto de alto desempenho (CAD), com adição de uma sílica ativa proveniente da casca de arroz. Equipamentos e dispositivos fabricados em CAD são agregados a uma termoelétrica a biomassa para aproveitamento da energia solar térmica para aumentar sua eficiência utilizando, por exemplo, coletores parabólicos térmicos solares construídos em CAD. Outra tecnologia de impacto utilizando biomassa é a sua gaseificação em alta pressão e alta temperatura para geração de H2 a partir de um recurso renovável (PINATTI; CONTE, 2013). A grande aplicação do H2 é nas refinarias de petróleo, permitindo produzir derivados 'verdes'. A disponibilidade de H2 de baixo custo também viabiliza a economia baseada nesse insumo, atualmente reprimida, pois se baseia em tecnologias convencionais com problemas de suprimento e logística de distribuição do gás.
As fontes principais de energias renováveis entre os trópicos de Capricórnio e Câncer são a solar térmica e biomassa. Especificamente no Brasil, grande parte das áreas rurais é caracterizada por declividades maiores que 15%, solos degradados e espalhamento das queimadas na época das secas. Do ponto de vista socioeconômico, essas áreas (denominadas morros pelados) (SILVA, 2012). representam 1/3 do nosso território, têm baixa densidade populacional, baixo rendimento per capita e baixa perspectiva de evolução usando tecnologias convencionais.
O consumo de energia per capita no Brasil é de 3 a 6 vezes inferior ao dos países desenvolvidos e seu custo ao consumidor final é 3 vezes maior. A causa disto foi a decisão inicial de basear a geração de energia elétrica na fonte hídrica dos rios brasileiros. Para ser um país desenvolvido cada bacia de rios teria de ter o equivalente a 3 a 6 rios: não há espaço nem chuva para caber tantos rios.
34 A água deve ser usada nas prioridades de sedentação (humana e animal), irrigação, navegação e apenas o que sobrar deveria ser utilizado para geração hidrelétrica. A base do sistema energético nacional necessita ser mudada para solar térmica, biomassa e eólica, que são ordens de grandeza superiores à hidráulica e mais econômicas (geração distribuída no lugar de geração centralizada).
A visão da EPE e da ANEEL sobre energia de biomassa sempre foi equivocada. Energia solar e biomassa são de produção distribuída e seu aproveitamento energético também tem de ser distribuído. Erradamente, é usado o conceito de geração centralizada (característico das hidroelétricas, termoelétricas a carvão, gás natural) para a biomassa e a energia solar. A atual geração centralizada não atende aos interesses nacionais e sim, principalmente, ao interesse das multinacionais.
Estamos desenvolvendo o conceito de Integração Total das Energias Renováveis e Fósseis (ITERF), dentro do qual se encontra a Integração das Energias Renováveis Tropicais (IERT) para aproveitamento da energia solar térmica e de biomassa, transformando esses recursos em várias formas de energia (térmica, elétrica, veicular), além de corrigir os problemas das áreas de morros pelados mencionados acima. As tecnologias da IERT permitem atrair indústrias para as áreas rurais por meio do fornecimento de energia elétrica e infraestrutura para seu funcionamento (PINATTI et al., 2018).
A energia solar é disponível em qualquer lugar; as principais fontes de biomassa digerível são os orgânicos separados na fonte (OSF) do lixo municipal e o capim elefante cultivado no ‘mar de morros pelados’ das zonas rurais. As terras cultiváveis (inclinação < 15%) devem ser usadas para a agricultura. A biomassa com fins energéticos (capim elefante, reflorestamento de curta rotação) deve ser implantada em terras com inclinação maior que 15%.
A fim de viabilizar a integração das várias fontes renováveis de energia, Pinatti e colaboradores (PINATTI; PILECCO; MARTON, 2012) desenvolveram o concreto de alto desempenho (CAD 90 MPa), com adição de sílica ativa vinda da queima da casca de arroz, cuja resistência à compressão atinge 90 MPa contra os 30 MPa do concreto simples e cuja impermeabilidade à água, a gases e íons permite seu emprego na construção de componentes estruturais, reatores químicos e vasos de pressão, com custos menores em relação aos componentes construídos, por exemplo, com aço,
35 polímeros ou madeira para os quais faltam algumas das propriedades mecânicas e físicas presentes no CAD 90 MPa.
Dentre os componentes desenvolvidos com CAD 90 MPa citamos as curvas de nível para contenção de encostas e retenção do excesso da água das chuvas feitas com perfis de CAD, coletores parabólicos para coleta de energia solar térmica (CPTS) (CONTE et al., 2015), digestor anaeróbio alimentado com biomassa digerível para geração de biogás, biocarvão e fertirrigante, dentre outros (PINATTI et al., 2019). Biogás gera energia elétrica pela queima em motogeradores ou, quando lavados sob pressão, gera biometano (gás metano veicular). O biocarvão (matéria não digerida) é queimado em termoelétricas que integram ainda a energia solar térmica (via coletores parabólicos, também desenvolvidos dentro do conceito IERT) e nas siderúrgicas.
A viabilidade econômica da IERT decorre da integração em uma unidade termoelétrica (UTE) micro, mini, média e macro, do pré-aquecimento da água pelos CPTS, da recuperação energética dos calores de condensação do vapor da turbina e da chaminé, substituindo a torre de refrigeração por um silo secador condensador (SSC) que eleva o PCI das biomassas de 2.800 para 4.400 kcal/kg e destina os gases de combustão com temperatura abaixo de 50 oC para o digestor anaeróbio, maximizando a produção de biogás (estágios mesofílico e termofílico). Além da geração de energia elétrica, parte da recuperação energética é utilizada em ar-condicionado de absorção e água quente para residências e indústrias. Cada produto energético é ajustado à sua demanda local.
No ciclo Rankine, a biomassa quadricombinada com pré-aquecimento da água em coletores parabólicos solares térmicos, superaquecimento do vapor com biomassa, recuperação térmica e biodigestores, produzindo simultaneamente vapor, energia elétrica, biogás e biocarvão é mostrado na figura 7.
36 Figura 7: Configuração de uma pequena UTE.
Fonte: PINATTI et al., 2019. Reprodução permitida.
Quanto maior a área de coleta solar térmica, menor é a área de biomassa, conforme mostra a figura 8.
Figura 8: Eficiência do ciclo Rankine e contribuição das fontes térmicas em função da pressão e da temperatura.
37
3.1.5. Aspectos econômicos
A tabela 9 abaixo apresenta os custos de implantação de algumas usinas termoelétricas (BRACIANI, 2011).
Tabela 9: Custo do kWe em reais para implantação de uma usina termoelétrica.
Usina UTE Potência MW –
e Investimento – Total R$ Milhões Custo em R$/kWe instalado Combustível Passa Tempo 67,8 139,71 2.061,0 Biomassa
Interlagos 40,0 70,00 1.750,0 Biomassa
Candiota III 350,0 1.500,00 2.857,0 Carvão
Custo médio
em R$/kWe 2.222,6
Fonte: Adaptado de BRACIANI (2011).
A princípio, quando se comparam os custos das usinas hidrelétricas, tendo como média 2.648 R$/kWe, com os custos das termoelétricas apresentados acima, os valores para implantação de uma usina termoelétrica são mais baixos. Entretanto, quando se comparam os demais custos (combustível, operação, manutenção e emissão de poluentes), o custo total da usina termoelétrica, no decorrer de sua produção, se torna mais oneroso (BRACIANI, 2011).
A tabela 10 mostra os custos para implantação de um empreendimento termelétrico.
Tabela 10: Custos de implantação de uma usina termoelétrica.
Custos Participação no Custo (%) Custo em R$/kWe(1)
Projeto 5,0 238,60 Infraestrutura 15,0 715,80 Equipamentos 60,0 2863,21 Financeiro 10,0 477,20 Ambientais 5,0 238,60 Transmissão 5,0 238,60 TOTAL 100,0 4772,02
Fonte: Elaboração própria com base em (BRACIANI, 2011). (1) Levada em consideração a variação do dólar de 2011 a 2019.
Para os custos de projeto, as variáveis mais importantes a serem consideradas são: tamanho do empreendimento, tipo de combustível, conexão ao sistema de transmissão, custos da energia térmica no mercado e regime de operação da usina (BRACIANI, 2011).
38 Os custos com infraestrutura são menos expressivos quando comparados a outros tipos de energia, visto que são empreendimentos de construção simples, podendo ser instalados em locais mais próximos ao local de consumo e assim não necessitando longas linhas de transmissão (BRACIANI, 2011).
O alto custo com equipamentos é relativo às instalações seguintes: turbinas a gás ou a vapor, motores a combustão, gerador, caldeira e equipamentos auxiliares, como transformadores e disjuntores. No Brasil, a maioria dos equipamentos vem de fornecedores estrangeiros, o que aumenta os gastos, visto que varia com as taxas cambiais (BRACIANI, 2011).
Da mesma forma que as outras usinas, a construção de uma usina termoelétrica brasileira é submetida a inúmeras taxas, sendo as principais: taxas de juros de longo prazo, spread básico (em média 2,5% a.a.) e spread de risco (entre 0,5% e 5%). Ainda assim, existem inúmeras opções de financiamento, além do fato de, dependendo do projeto, o PROINFA entrar como incentivador, concedendo vantagens financeiras (BRACIANI, 2011).
Quando se consideram as termoelétricas com sistemas com queima de combustíveis fósseis, o volume de poluentes é alto e assim, os custos ambientais se tornam elevados, além dos custos do licenciamento ambiental. Já quando são combustíveis limpos, os custos são mais brandos, o que facilita a análise de custo-benefício para os aspectos ambientais (BRACIANI, 2011).
Considerando os custos de transmissão, como as usinas térmicas têm a possibilidade de serem construídas perto do local em que a energia será consumida, os custos de transmissão são reduzidos.
Os custos operacionais são decorrentes, principalmente, do funcionamento da instalação e dos custos de manutenção usuais, podendo ser considerado um custo fixo que é ajustado ao do investimento inicial, por ano que a usina opera. Além disso, o custo com combustíveis é fundamental nesse tipo de investimento, visto que devem ser considerados os gastos com coleta, transporte, estocagem e manuseio residual, e, quando comparado ao mercado de eletricidade, é mais alto, pois é normalmente conectado ao dólar, sendo necessário considerar a taxa de câmbio (BRACIANI, 2011).
39 Segundo estudos da Empresa de Pesquisa Energética (EPE), o custo nivelado de energia médio nacional de uma usina termoelétrica convencional utilizando carvão mineral é de 97 USD/MWhe (9,7 ₵ de dólar/kWhe), levando em consideração custos de investimento, de operação e manutenção, com combustível, a vida útil, o tempo de construção, eficiência, potência da planta, fator de capacidade e taxa de desconto (TIOMNO TOLMASQUIM et al., 2016).
Já o custo nivelado médio de energia de uma usina termoelétrica à biomassa utilizando resíduos agrícolas é de 91 USD/MWhe (9,1 ₵ de dólar/kWhe) (TIOMNO TOLMASQUIM et al., 2016).
3.2. O Software SAM
O software System Advisor Model (SAM) é um software desenvolvido pelo National Renewable Energy Laboratory (NREL), principal laboratório de pesquisa e desenvolvimento e eficiência energética dos Estados Unidos.
A estrutura do SAM é dada por uma interface do usuário, um mecanismo de cálculo e uma interface de programação. A interface do usuário oferece a quem está utilizando o software o acesso às variáveis de entradas e controles de simulação e é nela que os resultados são exibidos. O mecanismo de cálculo realiza simulações hora a hora do desempenho de um sistema de energia e cálculos financeiros anuais, assim disponibilizando métricas de desempenho e financeiras do projeto. A interface de programação permite a interação com programas externos. A estrutura do software pode ser vista na figura 9 (SAM, 2019).
Figura 9: Estrutura do SAM.
40 O SAM utiliza dois modelos para simulação: desempenho energético e desempenho financeiro, que são projetados para auxiliar os usuários na tomada de decisão sobre projetos de energia renovável. Ele elabora previsões de desempenho e estimativas de custo da energia para projetos elétricos conectados à rede, considerando custos operacionais, de instalação e parâmetros do sistema que o usuário especifica como entradas do modelo.
A figura 10 mostra a página inicial de projeto do software e suas opções. Figura 10: Modelos de desempenho energético e financeiro.
Fonte: SAM, 2019.
O modelo de desempenho energético faz cálculos hora a hora da operação e geração elétrica para as seguintes tecnologias: fotovoltaica, heliotérmica cilindro parabólico, heliotérmica receptor central, heliotérmica linear Fresnel, heliotérmica prato parabólico, térmica convencional, aquecimento solar de água, energia eólica, energia geotérmica e de biomassa. Como resultados de desempenho energético, o software gera valores anuais de geração de energia, fator de capacidade, eficiência térmica e outros.
O SAM oferece alguns modelos financeiros, sendo eles: comercial, PPA (Power Purchase Agreement) com algumas variáveis, e LCOE (Levelized cost of energy). O modelo comercial é tipicamente menor que 500 kWe, visto que é um projeto de compra e venda de energia a preço de varejo. Já os modelos PPA são geralmente projetos em escala de utilidade pública e vendem eletricidade a um preço negociado por meio
41 de um contrato de compra de energia (PPA) para atender um conjunto de requisitos de retorno sobre o patrimônio. Suas variações estão no proprietário, podendo ser um único, em parceria com ou sem dívida ou também com investidor tributário. Por fim, o modelo LCOE utiliza o método simples para calcular o custo nivelado de energia do projeto (SAM, 2019).
O modelo financeiro calcula, com base nos resultados do modelo de desempenho, o fluxo de caixa anual durante o período desejado de acordo com as condições de financiamento do projeto, o preço de compra da energia, valor presente líquido e outros. A base de cálculos do programa é apresentada no apêndice D.
Ao se criar um arquivo SAM, o usuário escolhe o modelo de desempenho e financeiro para simular o projeto. Após, o software já preenche as variáveis de entrada com os valores padrões (valores baseados no sistema americano de geração de energia. O ar entra frio, tem gasto com aquecimento e a combustão é incompleta). Esses valores podem ser alterados manualmente para se fornecer informações mais específicas, como localização do projeto, tipo de equipamento, custo de instalação e de operação, incentivos e outros. Esses valores padrões são baseados na realidade norte-americana, e por isso, uma simulação para implantação no Brasil requer tratamento dos dados a serem incluídos nos parâmetros para se adequar e serem aplicáveis a realidade brasileira (SAM, 2019).
4. METODOLOGIA 4.1. Tipo de Estudo
O trabalho seguiu a metodologia de estudo de caso utilizando simulação, visto que foram usadas técnicas computacionais para simular o funcionamento de sistemas produtivos a partir de modelos, ao mesmo tempo em que se compararam duas simulações de dois tipos de geração de energia utilizando o mesmo software e os mesmos parâmetros.
4.2. Etapas
A partir do tipo de metodologia descrita acima, o estudo seguiu as seguintes etapas:
42 I. Identificação do problema
a. Leitura de materiais que abordassem o tema de energias renováveis e não renováveis, com foco em energia de biomassa; e
b. Percepção da ausência de estudo comparativo entre energia de biomassa utilizando capim elefante e biocarvão.
II. Modelo científico do problema
a. Estudo do software SAM, para comparar os dois tipos de energia; e
b. Elaboração de modelo com parâmetros adequados e equivalentes para os dois tipos de energia, incluindo parâmetros técnicos de desempenho e financeiros compatíveis com dados brasileiros.
III. Determinação dos casos
a. Simulação de planta de energia de biomassa utilizando capim elefante e parâmetros técnicos de desempenho e financeiros pré-definidos;
b. Simulação de planta de energia de biomassa utilizando biocarvão com parâmetros técnicos de desempenho e financeiros pré-definidos; e
c. Simulação de planta de energia de biomassa utilizando frações variadas de capim elefante e biocarvão com parâmetros técnicos de desempenho e financeiros pré-definidos.
IV. Aplicação do modelo
a. Utilizando o software SAM e os parâmetros técnicos de desempenho e financeiros pré-definidos, simular os casos definidos.
V. Análise de resultados
a. Com os resultados obtidos nas simulações, analisar qual o caso mais vantajoso, que tem o menor custo de implantação e a maior produção anual. VI. Conclusões
a. A partir da análise de resultados, concluir qual a melhor planta perante os parâmetros estabelecidos.
5. ESTUDO DE CASO
O estudo de caso deste trabalho consiste em avaliar a viabilidade de implantação de uma usina de biomassa no Brasil, utilizando dois tipos de matéria-prima: capim elefante e biocarvão. Para isso, será utilizado o software SAM, auxiliando a análise de custos e desempenho das plantas a serem simuladas.
43 As plantas simuladas terão a mesma configuração, variando apenas o tipo e a quantidade em toneladas de biomassa seca ao ano (TBS/ano) de matéria-prima, admitindo-se a potência máxima da planta em torno de 459 kWelétrico, conforme apresentado na tabela 11. O valor de 459 kWelétrico vem da consideração de que será gerada a potência térmica de 1700 kWtérmico com rendimento médio de 27%.
Tabela 11: Variações de quantidade das matérias primas para simulação.
Quantidade de Capim Elefante (TBS/ano) Quantidade de Biocarvão (TBS/ano) Total de matéria prima utilizada Potência estimada (kWe) 11.700 0 11.700 458 10.000 300 10.300 454 8.000 700 8.700 459 6.000 1.050 7.050 454 4.000 1.450 5.450 459 2.000 1.800 3.800 454 0 2.200 2.200 459
Fonte: Elaboração própria.
Ao iniciar um projeto no software, ele requer a escolha do modelo de desempenho energético e do modelo financeiro.
Neste trabalho, o modelo de desempenho energético utilizado será o de combustão de biomassa e o financeiro será o comercial com geração distribuída.
Para realizar tais simulações, o software necessita de parâmetros de entrada que são agrupados em abas para facilitar o uso. Abaixo são apresentados os tópicos referentes às abas e os parâmetros de saída. A figura 11 ilustra o software e todas as abas que serão preenchidas.
Figura 11: Abas de parâmetros do SAM.
44 I. Location and Ambient Conditions
Nesta aba se define o local onde as plantas das simulações serão implantadas. Para escolher a localidade, o software necessita de dados climatológicos específicos, sendo lido nos seguintes formatos: Typical Meteorological year 2 (.tm2), Typical Meteorological year 3 (.tm3) e EnergyPlus (.epw) (SAM, 2019). A figura 12 apresenta a interface do software para inserção das cidades.
Figura 12: Interface do SAM para inclusão da localização.
Fonte: SAM, 2019.
O Laboratório Nacional de Energias Renováveis dos EUA (NREL) disponibiliza no formato EnergyPlus informações de inúmeras cidades brasileiras, que necessitam ser baixadas e incluídas no software.
A localidade escolhida para esse trabalho foi São Paulo. A tabela 12 apresenta as características da cidade.
Tabela 12: Dados climatológicos de São Paulo.
Informações da Localidade
Cidade São Paulo
Estado São Paulo
Fuso Horário GMT-3
Elevação 792m
Latitude -23,85º
Longitude -46,64º
Dados climatológicos anuais
Irradiação direta normal (DNI) 529 kWeh/m2 Irradiação Global Horizontal 1.467 kWeh/m2 Temperatura de Bulbo Seco 19,6 ºC
Velocidade do vento 2,1 m/s
45 II. Feedstock
Esta é a aba principal de escolha do recurso de biomassa que será utilizado. Para especificar a matéria-prima, o SAM permite inúmeras combinações, como utilizar os resíduos tradicionais que o software dispõe para a localização selecionada na aba I, especificar manualmente as matérias-primas e inserir carvão. Para o presente trabalho, serão incluídas as propriedades das matérias-primas, considerando as frações de capim elefante e biocarvão, seguindo as variações da tabela 11. Como não existe a opção de biocarvão no software, será considerada a aproximação para carvão de lignita.
A potência elétrica vinda da biomassa considerada será de aproximadamente 459 kWelétrico e a disponibilidade de biomassa variará de 11.700 a 0 toneladas de biomassa seca ao ano (TBS/ano), com complemento de biocarvão.
A umidade para o capim elefante será de 16% e, para o biocarvão de 25%, considerando que ainda passarão pelo processo de secagem.
O software pede também o poder de aquecimento (PCI), sendo considerado para a herbácea 18,4 MJ/kg (7.910,6 Btu/lb) e para o biocarvão 24 MJ/kg (10.318 Btu/lb).
Após inclusão dos parâmetros e frações de biomassa escolhidas, o software apresenta um resumo da planta, como mostra a figura abaixo.
Figura 13: Interface do SAM com resumo das informações da biomassa.
Fonte: SAM, 2019. III. Plant Specs
Nesta etapa o software disponibiliza escolhas de especificação da planta, onde se definem: a utilização de secagem, o sistema de combustão e seus parâmetros, as informações do projeto seguindo o ciclo Rankine, a carga dos equipamentos e o horário de trabalho da planta.
