8º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA Cusco, 23 a 25 de Outubro de 2007

8º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA

Cusco, 23 a 25 de Outubro de 2007

CUSTOS DA OBTENÇÃO DO H

A PARTIR DA BIOMASSA E VIABILIDADE DA

GERAÇÂO DE ELETRICIDADE COM DIFERENTES TECNLOGIAS DE

CONVERSÃO

Kristiane Ramos Primo, Karina Ribeiro Salomon, Vladimir Melian Cobas, Electo Eduardo Silva Lora Universidade Federal de Itajubá - NEST/IEM/UNIFEI

Av BPS 1303, CP 50, Itajubá, MG, CEP 37.500-903 – Brasil.

kristiane@unifei.edu.br, karinas@unifei.edu.br, vlad@unifei.edu.br, electo@unifei.edu.br

RESUMO

O hidrogênio é considerado um importante vetor energético pois apresenta um elevado poder calorífico, além de ser possível a sua obtenção a partir de fontes renováveis de energia. Porém a chamada “economia do hidrogênio”, ou seja a utilização deste vetor energético em grande escala, não será possível sem o desenvolvimento de tecnologias para a sua obtenção a partir de fontes renováveis.

A partir de diferentes rotas de conversão energética como gaseificação da biomassa, biodigestão e fermentação, acoplados a um reformador, é possível obter uma quantidade significativa de hidrogênio para alimentar os equipamentos que possuem tecnologias avançadas de conversão da energia.

O uso da biomassa como fonte de energia para a produção de hidrogênio apresenta-se como uma opção limpa do ponto de vista ambiental. As prováveis emissões gasosas de CO2 provenientes do uso da biomassa em gaseificadores

são anuladas no período de crescimento da própria biomassa.

O objetivo principal deste trabalho é apresentar o custo do hidrogênio obtido a partir da gaseificação da biomassa, bem como, uma analise técnico-econômica da sua utilização com três tecnologias: Microturbinas, Motores Stirling e Células Combustíveis, para geração de eletricidade em pequena escala. As três têm a capacidade de operar com diferentes combustíveis, incluindo os renováveis, como é o caso da biomassa e conseqüentemente o H2.

Mostra-se também o estado da arte da obtenção de hidrogênio por fontes renováveis e sua aplicação em conversores energéticos bem como a viabilidade econômica da implantação de diferentes rotas de conversão energética.

Os resultados mais relevantes serão apresentados a partir de gráficos comparativos.

INTRODUÇÃO

Atualmente o desenvolvimento de novas tecnologias de conversão energética como Motores Stirling e Microturbinas favorecem a geração de eletricidade distribuída em comunidades isoladas. Os principais combustíveis aplicados nestas tecnologias são derivados da biomassa, representando vantagens ambientais e econômica.

O principal combustível utilizado pelas células a combustível é o hidrogênio, isto se deve a sua elevada reatividade na reação eletroquímica que rege seu funcionamento em presença do catalisador e a temperatura adequada.

Basicamente todos os combustíveis que contêm H2 podem ser utilizados em uma Célula a combustível. Junto a

recursos energéticos fósseis como o petróleo, gás natural ou carvão, há outros recursos renováveis, como resíduos orgânicos (que podem ser convertidos em biogás por meio de biodigestão), madeira e outras fontes lignocelulósicas (que podem ser gaseificadas) ou cultivos energéticos, como a cana-de-açúcar (que podem ser convertidos em etanol e posteriormente reformados).

O uso da biomassa como fonte de energia para a produção de hidrogênio apresenta-se como uma vantagem ambiental pois o balanço das emissões de carbono pode ser nulo. Desta forma, as emissões evitadas de CO2 podem

ser contabilizadas com a aplicação de metodologias para o cálculo do crédito de carbono. SISTEMAS DE OBTENÇÃO DE HIDROGÊNIO POR FONTES RENOVÁVEIS

Atualmente a maior parte do hidrogênio obtido mundialmente provém das fontes fósseis. Através da reforma do gás natural são produzidos cerca de 48% do hidrogênio no mundo, o petróleo e o carvão são responsáveis por 30% e 18% da produção, respectivamente. A eletrólise é responsável por 4% dessa produção [1]. Mas o hidrogênio também pode ser produzido através das fontes renováveis, como solar, hidráulica, eólica e a biomassa. O diagrama da Figura 1 ilustra simplificadamente os processos de obtenção do hidrogênio através das fontes renováveis.

O uso direto da biomassa para produção de calor por combustão é uma forma ineficiente de utilização de energia e ainda contribui para poluição ambiental. Existem vários processos de conversão da biomassa para outras formas de energia. As principais rotas de conversão de biomassa para obtenção de H2 são as seguintes:

• Conversão termo-química; • Conversão bioquimica/biologica; • Extração mecânica;

Dentre as rotas de conversão estão:

Gaseificação: A gaseificação é um processo de conversão termoquímica realizado a altas temperaturas, envolvendo oxidação parcial dos elementos combustíveis de constituição da biomassa. Os gases produzidos na gaseificação são formados por CO, CO2, H2, CH4, traços de hidrocarbonetos pesados, água, nitrogênio e várias outras substâncias -

pequenas partículas de coque, cinza, alcatrão e óleos, que são consideradas contaminantes. A composição desse gás de síntese depende do tipo de gaseificador e das características do gaseificador [2].

Reforma do etanol e biogás: A reforma é definida como a conversão catalítica e endotérmica de um combustível líquido, sólido ou gasoso disponível comercialmente num gás combustível (H2). A maioria dos processos utiliza

hidrocarbonetos leves para a obtenção do hidrogênio. Os hidrocarbonetos leves são aqueles com cadeias carbônicas situadas entre o metano e a nafta, com pontos de ebulição inferiores a 250°C. Esses compostos podem reagir com vapor de água a temperaturas entre 800 e 900°C em presença de catalisadores, resultando numa mistura de gases contendo principalmente H2, CO, CO2 e CH4 [3]. Essa reação resulta em um produto gasoso de composição típica

aproximada de 62,6% de H2, 21,4% de CO2, 12,5% de H2O e 3,5% de N2 em volume [4].

TECNOLOGIAS DE GERAÇÃO

Dentre as novas tecnologias de geração se destacam as Microturbinas (MT), as Células Combustíveis (FC) e os Motores Stirling (MS). O uso de biomassa gaseificada para movimentar qualquer uma destas tecnologias ou ainda a combinação entre elas, em ciclo combinado, se apresenta como uma alternativa potencialmente atrativa para gerar eletricidade com elevada eficiência e níveis de emissões muito baixos [5].

Deve-se avaliar num estudo posterior o impacto e/ou modificações necessárias nos sistemas de combustão das microturbinas e motores Stirling como conseqüência de características específicas do hidrogênio como combustível: maior temperatura de combustão, menor comprimento de chama, etc. Além disso, a queima do gás de síntese enriquecido com hidrogênio permite conseguir uma maior estabilidade da combustão para misturas fracas, típicas de regimes que visam baixas emissões de NOx.

A utilização destas tecnologias para o atendimento a consumidores isolados, onde uma rede de transmissão e distribuição seria economicamente inviável e o acesso de combustíveis fósseis é extremamente complexo e caro, pode contribuir na criação de novos mercados de energia, garantir o desenvolvimento destas regiões e incentivar o uso racional da biomassa disponível.

Microturbinas a gás: Baseadas no mesmo principio das turbinas a gás convencionais se encontram numa faixa de potencias entre 15 e 350 kW, podem ser acopladas a um gerador de corrente continua ou de corrente alternada de alta freqüência devido a suas altas velocidades de rotação, na faixa de 33.000 a 120.000 rpm. Entre os atrativos das MT pode-se mencionar:

• Boa eficiência 30 a 33 % (baseada no PCI). • Baixas emissões (< 10 ppm de NOx).

• Possibilidade de cogeração. • Excelente modularidade. Principais barreiras:

• Alto custo de investimento e de manutenção. • Baixa eficiência a cargas parciais.

• Uso de rolamentos a ar reduz os custos de manutenção mas, é imprescindível o uso de filtros de ar.

A maioria destas unidades geradoras usam um recuperador com a finalidade de aproveitar o calor dos gases de exaustão para aquecer o ar da combustão. Sem o recuperador a eficiência global da MT está entre 15 e 17 % enquanto que, utilizando um recuperador eficiente (~85%), a eficiência pode ser dobrada e atingir valores de 33 % [6].

Células a combustível: A FC é um dispositivo onde o oxigênio e o hidrogênio se combinam em ausência de combustão e em presencia de um catalisador para produzir eletricidade de forma eletroquímica, quando usado hidrogênio puro o único subproduto desta reação é a água. Diferentes tipos de células combustíveis tem sido desenvolvidas, geralmente são classificadas pelo o tipo de eletrólito utilizado. A continuação são relacionados os tipos principais de FC e suas temperaturas de operação [7]:

• Acido fosfórico (PAFC) – 200° C.

• Membrana de intercambio protônico (PEFC) – 80°C. • Carbonato fundido (MCFC) – 850°C.

• Oxido Sólido (SOFC) - 1000°C.

O custo das FC é muito elevado para ser competitivo hoje, mas com a produção em massa, expertos da industria asseguram que esses preços devem cair no futuro próximo [8]. As principais barreiras para o uso das FC incluem:

• Custo – as predições de redução de custos não estão materializadas e os preços de alguns tipos de células ainda não estão definidos.

• Incertezas com relação à manutenção.

• Dificuldades com relação à aceitação do hidrogênio como combustível.

Em contraste com as barreiras mencionadas as FC apresentam características atrativas: • único subproduto é a água e as emissões de NOx são muito baixas (< 1ppm).

• Elevadas eficiências, 50 a 60 % (baseada no PCI). • A possibilidade de cogeração.

• Excelente modularidade.

A integração térmica da gaseificação de biomassa é mais simples com SOFC e MCFC, já que a temperatura da gaseificação (600-800 oC) está na faixa de temperatura de operação dessas FCs. Por outro lado, os gases de biodigestão e de aterros sanitários se encontram a temperaturas baixas, portanto um sistema de pré-aquecimento seria necessário, independentemente do tipo de célula, para garantir as reações no reformador. Utilizando FCs de alta temperatura, é possível sustentar esse processo com o uso da temperatura dos gases de exaustão da própria FC. [9] Motor Stirling: O ciclo Stirling consiste de um motor alternativo a pistão movido por uma fonte externa de calor. De forma parecida às máquinas de vapor, o ciclo Stirling usa um sistema fechado, onde a expansão de um gás de trabalho é aproveitada para obter potência mecânica, o gás de trabalho utilizado pode ser nitrogênio, hidrogênio, hélio ou ar livre de oxigênio [10]. Os principais atrativos dos MS:

• Eficiência global boa, na faixa dos 30 %. • Baixo nível de ruído e operação segura.

• Podem utilizar uma grade variedade de combustíveis. • Possibilidade de cogeração.

• Alguns fabricantes prevêem uma vida útil de 25000 horas. Desvantagens:

• Até agora as experiências nos testes se concentram em motores de pequenas potências. • Os dados de confiabilidade e vida útil são escassos.

VIABILIDADE TÉCNICO E ECONÔMICA DA GERAÇÃO DE ELETRICIDADE Custo da obtenção do H2

O estudo de viabilidade técnica e econômica serve de base para a busca de fontes de financiamento para o empreendimento, determina se uma opção será implementada ou não, diminui os riscos de fracasso do empreendimento, identificando as principais oportunidades de mercado, os concorrentes, as preferências dos consumidores, entre outros. A lucratividade de um projeto é medida usando-se fluxos de caixa estimados para cada ano do projeto.

O custo do H2 foi calculado a partir da equação (1) que leva em consideração o investimento anualizado, o custo

da biomassa e a produção de hidrogênio (Tabela 1). O preço do gaseificador foi tomado de valores correspondentes a analises já desenvolvidas por [11] e [12] assumindo a utilização do gaseificador de biomassa com aquecimento indireto da Batelle Columbus.

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Para o cálculo dos certificados de emissões evitadas, os chamados créditos de carbono, foi utilizada a metodologia aprovada pelo órgão da “executive board” de MDL (Clean Development Mechanism - CDM) da ONU (UNFCCC), para a geração de energia elétrica a partir de bagaço de cana e fornecimento para a rede de distribuição de energia elétrica como um projeto de MDL. Nesta metodologia é utilizado o conceito de margem combinada para determinar a intensidade de carbono teórica na expansão do setor elétrico nacional. Utilizando este conceito o valor de referência para a intensidade de carbono do setor elétrico ficou estabelecido em 0,140 tC/MWh ou 0,5 tCO2eq/MWh. Este valor

contribui para melhorar a eficiência dos projetos de MDL baseados em emissões evitadas, pois aumenta quantidade de carbono evitada por MWh gerado [16].

As equações (2) e (3) mostram como é realizado o cálculo da quantidade de créditos de carbono.

Total de CO2eq. Evitado [tCO2eq./ano] = Total de energia elétrica gerada [MWh/ano] · Fator de Intensidade de

Total de U$ (ou R$) em certificados = Total de CO2eq. Evitado [tCO2eq./ano] · Valor de Certificado de emissões

evitadas (CEE) [US$/tCO2eq] (3)

Tabela 1 - Dados considerados no cálculo do custo de hidrogênio a partir da gaseificação da biomassa. Horas de operação por ano (h/ano) 6570

Consumo de biomassa para o gaseificador (ton/dia) [9] 2.8 Relação gás/biomassa no gaseificador (kg/kg) [13] 2.46 Eficiência de conversão gás/hidrogênio [14] 0.60 Produção de hidrogênio (ton/ano) 47.05

Custo do gaseificador (US$) 160000

Custo do sistema limpeza + reforma (US$) 75000

Auxiliares (US$) 1000

Custo do reservatório de combustível (US$) 1000 Custo dos equipamentos do sistema (US$) 237000 Custo: instalação, engenharia e outros (US$) 35550

Custo total investimento (US$) 272550

Custo O&M (US$)a 13628

Custo de biomassa (US$/ton) [15] 17.5

Fator de capitalizaçãob 0.126

Horizonte estudado (anos) 10

Custo do hidrogênio (US$/kg) 1.05

a – considerado 5% do total do investimento. b – depende da taxa de juros e vida útil dos equipamentos.

Custo das tecnologias

A intenção fundamental desta analise é definir, entre as tecnologias propostas, quais são as de maior viabilidade considerando diferentes cenários econômicos e qual é a influencia especifica dos diferentes indicadores envolvidos. Na Tabela 2 são apresentados os custos dos equipamentos para geração de eletricidade. Para as FC foi considerado um rendimento de 60%, para a Microturbina de 32% e para o Motor Stirling de 30%. No caso da venda de eletricidade, foi considerado um cenário com valor de receita de 250 US$/kWh [17].

Análise de sensibilidade

Para a análise de sensibilidade foram considerados as variações no custo da obtenção do H2 e as variações no

custo de venda da eletricidade gerada a partir das diferentes tecnologias. Os casos considerados foram: Caso 1 – geração com célula a combustível – FC.

Caso 2 – geração com Microturbina – MT. Caso 3 – geração com Motor Stirling – MS.

Tabela 2 – Custos e potências adotadas para os diferentes acionadores.

Acionador FC MT MS

Potência gerada (kW) 144.06 76.83 72.03

Investimento (US$) 400000 126000 300000

Custo O&M (US$/kWh) 0.06 0.048 0.048c

Custo com H2 (US$/ano) 49442.23 49442.23 49442.23

Receita da energia elétrica gerada com H2

(US$/ano) 236626.22 126200.65 118313.11

Receita com a venda CEE – certificado de emissões

evitadas (US$/ano) 4732.52 2524.01 2366.26

TIR (%) 31.62 42.42 9.86

VPL (US$) 457732.21 223449.55 7993.87

Tempo de retorno do investimento (anos) 3.6 2.7 9.6

As propriedades físicas do biocombustível têm implicação técnico-econômica muito importante no processo de utilização de biomassa como combustível. Quando o combustível produzido é gasoso, como é o caso de gaseificação, a produção de eletricidade geralmente se limita ao lugar onde se encontra a biomassa, por causa dos elevados custos associados ao transporte, à manipulação e ao armazenamento. Na Figura 2 é analisada a influência da variação nos custos de produção do hidrogênio considerando a melhoria no processo de gaseificação + reforma + armazenamento, sobre a viabilidade da geração de eletricidade empregando tecnologias com diferentes eficiências energéticas. Verifica-se que ao longo da variação no custo da obtenção do H2, o caso 1 apresenta-se com uma TIR inferior ao

caso 2, com exceção do ponto onde a variação do custo aumenta em 40%.

Na Figura 3 são analisados diferentes custos de venda da eletricidade produzida a partir da utilização energética do hidrogênio renovável. Verifica-se que a redução do custo de venda da eletricidade em até 20% para os casos 1 e 2 torna o projeto inviável economicamente, obtendo valores de TIR menores do que 15%. Para o caso 3, o projeto se torna viável a partir de um acréscimo de 10% no custo de venda da eletricidade.

-10% 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% -50% -40% -30% -20% -10% 0% 10% 20% 30% 40% 50% Variação (%) T IR (Taxa In terna d e Retorn o)

Caso 1 Caso 2 Caso 3

TMA = 15%

Figura 2: Análise da sensibilidade do custo da produção de H2 a partir da gaseificação da biomassa na geração de

eletricidade. Caso 1 – FC, Caso 2 – MT, Caso 3 – MS.

-20% 0% 20% 40% 60% 80% 100% -50% -40% -30% -20% -10% 0% 10% 20% 30% 40% 50% Variação (%) TIR (Tax a I n tern a de Retorn o)

Caso 1 Caso 2 Caso 3

TMA = 15%

Figura 3: Análise da sensibilidade do custo de venda da eletricidade na geração de energia com o uso de H2. Caso 1 –

CONCLUSÕES

As principais limitações para o uso de biocombustíveis concentram-se na natureza dos biocombustíveis (baixo poder calorífico) e na complexidade das instalações necessárias, o que impõe barreiras econômicas, mas que podem ser superadas com políticas de incentivo. Os elevados custos estão associados com a produção do combustível renovável e com a necessidade de tratamento deste (limpeza, colheita e reforma do gás, modificações do sistema etc).

Conclui-se de uma maneira geral que a utilização de tecnologias avançadas torna-se uma opção interessante do ponto de vista econômico e com grandes vantagens ambientais.

Dentre as tecnologias analisadas, a que apresentou melhor viabilidade econômica foi a utilização da Microturbina com H2 renovável, pois na maioria das simulações esta opção obteve melhores resultados. Este caso apresentou uma

TIR 25% maior em relação à utilização de célula combustível. Para o caso 3 onde se utiliza o Motor Stirling, a viabilidade econômica é alcançada somente quando o custo da venda de eletricidade atingir um valor de 275 US$/MWh. Para o caso 1 da Célula a Combustível, um aumento no custo da obtenção do hidrogênio em até 50% ainda permite atingir a viabilidade.

Finalmente, o uso do hidrogênio apresenta-se como um combustível alternativo do futuro frente às tecnologias promissoras de conversão energética aliado com as tendências de melhoria e redução de custos da produção, armazenamento e transporte deste combustível.

AGRADECIMENTOS

O desenvolvimento deste trabalho contou com o apoio do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico – CNPQ e Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior – CAPES, através de duas bolsas de doutorado.

REFERENCIAS

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http://www.eren.doe.gov/hydrogen/faqs.html#cost

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11. MANN, M.K..Technical and Economic Assessment of Producing Hydrogen by Reforming Syngas from the Battelle Indirectly Heated Biomass Gasifier.Reporte do NREL. 1995. Obtido via internet http://www.nrel.gov

12. SCHMIDT, D.D., GUNDERSON, J. R. Oportunities for Hydrogen: An Analisis of the Application of Biomass Gasification to Farming Operations Using Microturbines and Fuel Cells. Proceedings of the 2000 DOE Hydrogen Program Review. 2000.

13. http://www.ipt.br/atividades/servicos/chat/?ARQ=141. Acesso em 10/06/07 às 16:00h. 14. Nath, K. & Debabrata D. Hydrogen from biomass. Current Science, Vol. 85, no 3, 2003. 15. Fazenda 3J, Localizada em Paraisópolis – MG. Comunicação Pessoal, 2006.

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17. SERRA, E. T. Células combustíveis a etanol: uma análise técnico econômica. Revista Eletricidade Moderna, Brasil, vol. 313, pág. 126, 2000. NOMENCLATURA H2 Hidrogênio CO Monóxido de carbono CO2 Dióxido de carbono CH4 Metano N2 Nitrogênio

PCI Poder calorífico inferior Ppm Partes por milhão O&M Operação e manutenção VPL Valor presente líquido TIR Taxa interna de retorno