Pellets: viabilidade de produção e consumo

Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro

PELLETS: VIABILIDADE DE PRODUÇÃO E CONSUMO

Dissertação de Mestrado: Engenharia Mecânica

Ana Filipa Fernandes Gonçalves Vieira

Orientador: Doutor Amadeu Duarte da Silva Borges

Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro

PELLETS: VIABILIDADE DE PRODUÇÃO E CONSUMO

Dissertação de Mestrado: Engenharia Mecânica

Ana Filipa Fernandes Gonçalves Vieira

Orientador: Doutor Amadeu Duarte da Silva Borges

Composição do Júri:

Doutor José Manuel Alves Ribeiro Doutor Luís Manuel Frölen Ribeiro Doutor Amadeu Duarte da Silva Borges

iii Dissertação apresentada à Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica, realizada sob a orientação científica do Doutor Amadeu Duarte da Silva Borges do Departamento de Engenharias da Escola de Ciências e Tecnologia da Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro.

v

Agradecimentos

Uma tese de mestrado, apesar de um processo solitário, reúne contributos de várias pessoas. Desde o início do mestrado, tive o privilégio de contar com a confiança e o apoio de inúmeras pessoas e sem estes contributos, esta investigação não teria sido possível.

Ao Doutor Amadeu Duarte da Silva Borges, orientador da dissertação, agradeço o apoio, a partilha do saber e as valiosas contribuições não só para esta dissertação, mas também por todo o acompanhamento e presença constante em todo o meu percurso académico. Agradeço também a liberdade e confiança referente ao presente trabalho além da indiscutível amizade e compreensão em momentos difíceis. Acima de tudo, obrigada por continuar a acompanhar-me nesta jornada e por estimular o meu interesse pelo conhecimento

Estou também muito grata a todos os meus familiares, primos, tios, avós, pelo incentivo recebido ao longo destes anos. À Bárbara e ao David, obrigada pelo amor, alegria e atenção sem reservas nos tempos que passei ao vosso lado. À minha avó agradeço o sorriso intemporal que sempre esteve presente.

Agradeço a todos os amigos (Joel Fernandes, Marlita Eufémia, Ana Vieira, Rita Osório, Soraia Batista) que fizeram parte deste percurso, pela enorme aprendizagem. Companheirismo, apoio e carinho. Durante a minha vida académica percebi que a aprendizagem é uma construção diária cujo ingrediente principal é o afeto. Vocês foram as minhas fortalezas, os meus pilares, a minha fonte de carinho durante este percurso. Possuir amigos que pensam de formas tão distintas, enriqueceu significativamente a minha formação. Obrigada pela alegria que me proporcionam.

Agradeço à minha nova família, que desde há um ano para cá, me incentivam diariamente a ser mais e melhor. Obrigada à minha família espanhola.

Por fim agradeço à minha mãe e ao meu pai. Aos meus pais, Conceição e Eduardo, obrigada pela forma como me incutiram a alegria de viver, fazer tudo o

vi melhor possível e a confiança necessária para realizar os meus sonhos. Deixei-os para último, porque deixo sempre o melhor para o fim e vocês são o melhor da minha vida. Obrigada mãe, pelo teu apoio incondicional ao longo deste processo de dissertação e de muitos outros. Obrigada por acreditares em mim, mesmo quando eu não acreditava. És a minha fortaleza e o meu exemplo. Obrigada também pelo amor e cumplicidade. Obrigada por estares ao meu lado, sempre. Obrigada pai, por tudo que és e por tudo o que somos juntos, por tudo que me ensinaste e também por estares todos os dias ao meu lado. Mesmo longe, estamos sempre perto. Obrigada pelo amor incondicional, pelo carinho e afeto. Não encontro palavras que consigam agradecer-vos, simplesmente fico completamente envolvida por um enorme sentimento de gratidão.

Muito obrigada.

“É muito melhor lançar-se em busca de conquistas grandiosas, mesmo expondo-se ao fracasso, do que alinhar-expondo-se com os pobres de espírito, que nem gozam muito nem sofrem muito, porque vivem numa penumbra cinzenta onde não conhecem nem vitória, nem derrota.”

Theodore Roosevelt

“Tenho a impressão de ter sido uma criança brincando à beira-mar, divertindo-me em descobrir uma pedrinha mais lisa ou uma concha mais bonita que as outras, enquanto o imenso oceano da verdade continua misterioso diante de meus olhos”.

vii Isaac Newton

Resumo

Face ao desenvolvimento futuro da biomassa é necessário considerar as elevadas eficiências de conversão, competitividade e sustentabilidade, bem como conhecer a origem da biomassa e definir também os seus parâmetros de qualidade.

Enfrentando as consequentes necessidades energéticas e com o elevado preço que se está a praticar nas outras energias, é necessário explorar as novas formas de energia, desenvolver várias técnicas de aproveitamento dos recursos disponíveis, mesmo que muitas dessas técnicas ainda suscitem dúvidas a nível da sua eficiência e dos efeitos que podem vir a causar futuramente.

O presente trabalho teve como objetivo verificar as necessidades do consumo de energia para aquecimento em escolas e espaços de lazer no município de Vila Pouca de Aguiar, verificar ainda a grande disponibilidade de biomassa, já que aqui, está concentrada uma vasta zona de floresta e analisar o processo de transformação da biomassa em pellets com a sucessiva implantação de uma fábrica de transformação de biomassa neste concelho. Estudamos a viabilidade de comercializar o produto no segmento industrial como combustível substituto do gás natural, gasóleo de aquecimento e eletricidade.

Foi necessário verificar questões relacionadas com os diferentes rendimentos dos equipamentos que utilizam biomassa com tratamento aplicados nesta dissertação, bem como questões relacionadas com o custo e potencial.

O objetivo da implantação da fábrica de produção de pellets, é de comercializar o produto para o segmento industrial como um produto substituto de combustível e/ou eletricidade. Numa primeira fase, aponta para o sector local, e, em seguida, de acordo com os resultados e o desenvolvimento do mercado interno, poder-se-á comercializar o produto no país ou estrangeiro.

viii

Abstract

Face the future development of biomass is necessary to consider the high conversion efficiency, competitiveness and sustainability, to know the origin of biomass and define their quality parameters.

Facing the energy needs and with the high price applied in other energies, it is necessary to explore new forms of energy, develop various exploitation techniques and available resources, even though many of these techniques still raise questions in terms of efficiency and the effects that may cause future.

This study aimed determined the needs of the energy consumption for heating in schools and leisure facilities in the municipality of Vila Pouca de Aguiar. Also, check the wide availability of biomass, as here, is concentrated a large area of forest and analyze the process of transformation of biomass into pellets with the successive introduction of a biomass processing plant in this county. We study the feasibility of marketing the product in the industrial sector as a fuel substitute for natural gas, heating oil and electricity.

It was necessary to verify issues related to the different yields of equipment using biomass treatment applied in this work, as well as issues related to the cost and potential.

The purpose of the implementation of the pellets production plant is to market the product for the industrial sector as a fuel substitute product and / or electricity. Initially, points to the local sector, and then, according to the results and the development of the internal market, it will be possible-market the product in the country or abroad.

ix

Índice de Conteúdos

ÍNDICE DE FIGURAS XIII

ÍNDICE DE TABELAS XV

SIMBOLOGIA XIX

1. INTRODUÇÃO 23

1.1. CONSUMO DE ENERGIA 23

1.1.1. CONSUMO DE ENERGIA PARA AQUECIMENTO 26

1.2. ANÁLISE DO MERCADO PORTUGUÊS 26

1.3. BIOMASSA 27

1.4. CICLO NEUTRO DE CARBONO 31

1.5. BIOMASSA EM PORTUGAL 32

1.6. POTENCIAL E CUSTOS DE BIOMASSA 35

2. PELLETS 39

2.3. PROCESSO DE PRODUÇÃO DE PELLETS 39

2.3. ANÁLISE DA PROCURA 45

3. CALDEIRAS E EQUIPAMENTOS PARA AQUECIMENTO 51

3.1. QUEIMADORES A PELLETS 55

x

3.1.2. QUEIMADOR DE ALIMENTAÇÃO HORIZONTAL 57

3.1.3. QUEIMADOR DE ALIMENTAÇÃO SUPERIOR 57

4. COMBUSTÃO 61 4.1. ESTEQUIOMETRIA 61 4.2. COMBUSTÃO DE SÓLIDOS 62 4.2.1. COMBUSTÃO DE PELLETS 63 4.3. BALANÇO MÁSSICO 63 4.3.1. GASÓLEO 63 4.3.2. GÁS NATURAL 66

4.4. ENTALPIA DE FORMAÇÃO E ENTALPIA DE COMBUSTÃO 68

4.5. TEMPERATURA ADIABÁTICA DA CHAMA 68

4.6. CÁLCULO DO CAUDAL VOLÚMICO DOS PRODUTOS DE COMBUSTÃO 69

4.7. ANÁLISE QUÍMICA QUANTITATIVA DE AMOSTRAS DE BIOMASSA 70

4.8. CÁLCULO DE PARÂMETROS RELATIVOS À COMBUSTÃO DE PELLETS 71

4.8.1. BALANÇO MÁSSICO PARA OS PELLETS 72

4.8.2. TEMPERATURA ADIABÁTICA DA CHAMA 74

5. ENQUADRAMENTO DO LOCAL 76

5.1. GASTOS INICIAIS 80

5.1.1. UNIDADE CHAVE-EM-MÃO 80

5.1.2. CENTRO DE TRANSFORMAÇÃO DE ENERGIA 85

5.1.3. AQUISIÇÃO DE STOCK E INVESTIMENTO INICIAL 88

5.1.4. CUSTOS DE OPERAÇÃO E MANUTENÇÃO 90

5.2. PLANO DE MARKETING 92

5.3. PREVISÃO DE GANHOS 94

6. MODELOS MATEMÁTICOS 99

6.1. “PROJETO TIPO” EDIFÍCIO ESCOLAR (ATÉ 100KW) 99

6.2. DIMENSIONAMENTO DE ACORDO COM AS DIFERENTES POTÊNCIAS E SELEÇÃO DOS

EQUIPAMENTOS PARA ANÁLISE ECONÓMICA 104

xi

6.4. DIMENSIONAMENTO DE ACORDO COM AS DIFERENTES POTÊNCIAS E SELEÇÃO DOS

EQUIPAMENTOS PARA ANÁLISE ECONÓMICA 119

6.5. CÁLCULO DOS PARÂMETROS DE COMBUSTÃO PARA O GASÓLEO E GÁS NATURAL 129

6.5.1. GASÓLEO 129

6.5.2. GÁS NATURAL 134

7. CONCLUSÕES 141

8. BIBLIOGRAFIA 145

xiii

Índice de Figuras

Figura 1-1 Consumo de energia elétrica per capita entre 2010-2014 no Mundo (World Bank, 2015) ___ 25 Figura 1-2: Preço de mercado de diferentes fontes de energia para aquecimento em 2014 __________ 26 Figura 1-3: Estrutura química da biomassa ________________________________________________ 28 Figura 1-4: Produção primária de energia, o consumo bruto de eletricidade e consumo de calor a partir da biomassa sólida na União Europeia (EurObserv’ER, 2015) __________________________________ 30 Figura 1-5: Ciclo Neutro de Carbono ______________________________________________________ 31 Figura 1-6: Distribuição da Biomassa em Portugal __________________________________________ 33 Figura 2-1:Recetor de Biomassa (LIPPEL) __________________________________________________ 40 Figura 2-2: Peneira Rotativa (LIPPEL) _____________________________________________________ 41 Figura 2-3:Secador de Biomassa (LIPPEL) __________________________________________________ 41 Figura 2-4: Matriz do tipo anel pertencente a uma máquina pelletizadora _______________________ 42 Figura 2-5: Esquema de funcionamento máquina pelletizadora com matriz plana _________________ 43 Figura 2-6: Pelletizadora (LIPPEL) ________________________________________________________ 44 Figura 2-7: Camara de Arrefecimento (LIPPEL) _____________________________________________ 45 Figura 2-8: Previsão do mercado de pellets de madeira (Pöyry Wood Pellet Multiclient- Becoming a Global Commodity, April 2011) __________________________________________________________ 48 Figura 3-1: Aquecimento Central feito por Caldeira a Pellets com água quente solar _______________ 52 Figura 3-2: Corte de uma caldeira a pellets ________________________________________________ 54 Figura 3-3:Tipos de queimadores segundo o seu princípio: a) queimador de alimentação inferior; b) queimador de alimentação horizontal; c) queimador de alimentação superior. ___________________ 55 Figura 3-4: Queimador a pellets com alimentação inferior ____________________________________ 56 Figura 3-5: Queimador a pellets com alimentação horizontal. _________________________________ 57 Figura 3-6: Lareira a pellets Figura 3-7: Boiler a pellets _______________ 58 Figura 3-8: Queimador a pellets adaptável ________________________________________________ 59 Figura 3-9:Queimador a pellets instalado a um permutador de calor ___________________________ 59 Figura 5-1: Concelho de Vila Pouca de Aguiar ______________________________________________ 76 Figura 5-2: Gráfico Climático V. P. Aguiar _________________________________________________ 77 Figura 5-3: Parque empresarial de Vila Pouca de Aguiar - Antiga Tabopan 41º26’47.9’’N / 7º40’14.3’’W ___________________________________________________________________________________ 78 Figura 5-4 Unidade industrial de produção de pellets ________________________________________ 79 Figura 5-5: Unidade de produção chave-em-mão ___________________________________________ 82 Figura 5-6: Diagrama de fluxo de trabalho_________________________________________________ 82 Figura 5-7: Esquema Unifilar para Centro de Transformação de 630kVA's _______________________ 86 Figura 5-8: Centro de Transformação PUCBET 5500 _________________________________________ 87 Figura 5-9: Modelo PUCBET ____________________________________________________________ 88

xiv

Figura 5-10: Sacos de 15kg, Big Bags e Granel respetivamente ________________________________ 93 Figura 6-1: Consumo atual edifícios escolares no Concelho de Vila Pouca de Aguiar – até 100kW _____ 99 Figura 6-2: Estimativa de consumo atual e futuro kWh ______________________________________ 100 Figura 6-3: Consumo atual Espaço Lazer no Concelho de Vila Pouca de Aguiar – até 300kW ________ 114 Figura 6-4: Estimativa de consumo atual e futuro em kWh ___________________________________ 115

xv

Índice de Tabelas

Tabela: 4-1: Geração calorífica de diferentes fontes de energia ________________________________ 65 Tabela 4-2: Composição química dos pellets _______________________________________________ 71 Tabela 4-3: Massa Volúmica dos constituintes dos gases de combustão _________________________ 75 Tabela 5-1: Dados climatológicos médios entre 2011-2014 ___________________________________ 77 Tabela 5-2: Médios dados climatológicos da Tabela 5-1 ______________________________________ 77 Tabela 5-3:Descrição da unidade de Pelletização ___________________________________________ 83 Tabela 5-4: Investimento Inicial _________________________________________________________ 89 Tabela 5-5: Custos operacionais anuais ___________________________________________________ 91 Tabela 5-6: Preço Biomassa pelletizada ___________________________________________________ 94 Tabela 5-7: Previsão de Ganhos - 3anos ___________________________________________________ 97 Tabela 5-8: Previsão de ganhos e margem - 3 anos __________________________________________ 98 Tabela 5-9: Payback 3 anos _____________________________________________________________ 98 Tabela 6-1:Balanço energético e investimento em edifícios escolares de média dimensão __________ 102 Tabela 6-2: Payback _________________________________________________________________ 108 Tabela 6-3: Caudal mássico de pellets necessário para suprir as seguintes potências: _____________ 109 Tabela 6-4: Caudal mássico de ar para a combustão de pellets com 15% excesso de ar para as seguintes potências instaladas _________________________________________________________________ 110 Tabela 6-5: Caudal mássico dos produtos de combustão dos pellets para uma potência instalada de 6kW __________________________________________________________________________________ 110 Tabela 6-6: Caudal mássico dos produtos de combustão dos pellets para uma potência instalada de 13kW _____________________________________________________________________________ 110 Tabela 6-7: Caudal mássico dos produtos de combustão dos pellets para uma potência instalada de 35kW _____________________________________________________________________________ 111 Tabela 6-8: Caudal mássico dos produtos de combustão dos pellets para uma potência instalada de 80kW _____________________________________________________________________________ 111 Tabela 6-9: Caudal total dos gases de Combustão dos pellets ________________________________ 111 Tabela 6-10: Composição mássica dos produtos de Combustão dos pellets para uma potência instalada de 6kW ____________________________________________________________________________ 112 Tabela 6-11: Composição mássica dos produtos de Combustão dos pellets para uma potência instalada de 13kW ___________________________________________________________________________ 112 Tabela 6-12: Composição mássica dos produtos de Combustão dos pellets para uma potência instalada de 35kW ___________________________________________________________________________ 112 Tabela 6-13: Composição mássica dos produtos de Combustão dos pellets para uma potência instalada de 80kW ___________________________________________________________________________ 112

xvi

Tabela 6-14: Caudal Volúmico dos produtos de Combustão dos pellets com 15% excesso de ar para as várias potências instaladas ____________________________________________________________ 113 Tabela 6-15:Composição e Percentagem Volúmica dos Produtos de Combustão dos Pellets para as diferentes potências dos equipamentos instalados _________________________________________ 113 Tabela 6-16: Balanço energético e investimento em edifícios de Lazer de média dimensão _________ 117 Tabela 6-17: Payback ________________________________________________________________ 123 Tabela 6-18: Caudal mássico de pellets para as diferentes potências das caldeiras instaladas: ______ 124 Tabela 6-19: Caudal mássico de ar para combustão de pellets com 15% excesso de ar para as diferentes potências de caldeiras instaladas _______________________________________________________ 125 Tabela 6-20: Caudal mássico dos produtos de combustão dos pellets para uma potência instalada de 13kW _____________________________________________________________________________ 125 Tabela 6-21: Caudal mássico dos produtos de combustão dos pellets para uma potência instalada de 35 kW _______________________________________________________________________________ 125 Tabela 6-22: Caudal mássico dos produtos de combustão dos pellets para uma potência instalada de 80 kW _______________________________________________________________________________ 125 Tabela 6-23: Caudal mássico dos produtos de combustão dos pellets para uma potência instalada de 220kW ____________________________________________________________________________ 126 Tabela 6-24: Caudal total dos gases de Combustão dos pellets para as diferentes potências de caldeiras intaladas ___________________________________________________________________________ 126 Tabela 6-25: Composição mássica dos produtos de Combustão dos pellets para uma potência instalada de 13kW ___________________________________________________________________________ 126 Tabela 6-26: Composição mássica dos produtos de Combustão dos pellets para uma potência instalada de 35kW ___________________________________________________________________________ 127 Tabela 6-27: Composição mássica dos produtos de Combustão dos pellets para uma potência instalada de 80kW ___________________________________________________________________________ 127 Tabela 6-28: Composição mássica dos produtos de Combustão dos pellets para uma potência instalada de 220kW __________________________________________________________________________ 127 Tabela 6-29: Cálculo do caudal Volúmico dos produtos de Combustão dos pellets com 15% excesso de ar __________________________________________________________________________________ 128 Tabela 6-30: Composição e Percentagem Volúmica dos Produtos de Combustão dos Pellets ________ 128 Tabela 6-31: Caudal volúmico total dos gases de combustão dos pellets ________________________ 129 Tabela 6-32: Caudal mássico de gasóleo necessário para suprir as diferentes potências instaladas __ 129 Tabela 6-33: Caudal mássico de ar para combustão dos pellets, para as diferentes potências instaladas __________________________________________________________________________________ 130 Tabela 6-34: Caudal mássico produtos de combustão para uma potência instalada de 6kW ________ 130 Tabela 6-35: Caudal mássico produtos de combustão para uma potência instalada de 13kW _______ 130 Tabela 6-36: Caudal mássico produtos de combustão para uma potência instalada de 35kW _______ 131 Tabela 6-37: Caudal mássico produtos de combustão para uma potência instalada de 50kW _______ 131

xvii

Tabela 6-38: Caudal mássico produtos de combustão para uma potência instalada de 80kW _______ 131 Tabela 6-39: Caudal mássico produtos de combustão para uma potência instalada de 220kW ______ 131 Tabela 6-40: Caudal mássico total dos produtos de combustão do gasóleo _____________________ 131 Tabela 6-41: Caudal Volúmico Total dos produtos de Combustão para uma potência instalada de 6kW __________________________________________________________________________________ 132 Tabela 6-42: Caudal Volúmico Total dos produtos de Combustão para uma potência instalada de 13kW __________________________________________________________________________________ 132 Tabela 6-43: Caudal Volúmico Total dos produtos de Combustão para uma potência instalada de 35kW __________________________________________________________________________________ 132 Tabela 6-44: Caudal Volúmico Total dos produtos de Combustão para uma potência instalada de 50kW __________________________________________________________________________________ 132 Tabela 6-45: Caudal Volúmico Total dos produtos de Combustão para uma potência instalada de 80kW __________________________________________________________________________________ 133 Tabela 6-46: Caudal Volúmico Total dos produtos de Combustão para uma potência instalada de 220kW __________________________________________________________________________________ 133 Tabela 6-47: Caudal Volúmico Total produtos de combustão do gasóleo para as diferentes potências instaladas __________________________________________________________________________ 133

Tabela 6-48: Massa volúmica dos produtos de combustão kg/m3 _____________________________ 133

Tabela 6-49: Massa Volúmica dos gases de combustão para as diferentes potências instaladas _____ 134 Tabela 6-50: Caudal mássico de gás natural necessário para suprir as diferentes potências instaladas 134 Tabela 6-51: Caudal mássico de ar para combustão ________________________________________ 135 Tabela 6-52: Caudal mássico produto de combustão para uma potência instalada de 6kW _________ 135 Tabela 6-53: Caudal mássico produto de combustão para uma potência instalada de 13kW ________ 135 Tabela 6-54: Caudal mássico produto de combustão para uma potência instalada de 35kW ________ 135 Tabela 6-55: Caudal mássico produto de combustão para uma potência instalada de 50kW ________ 135 Tabela 6-56: Caudal mássico produto de combustão para uma potência instalada de 80kW ________ 136 Tabela 6-57: Caudal mássico produto de combustão para uma potência instalada de 220kW_______ 136 Tabela 6-58: Caudal mássico total produtos de Combustão do gás natural para as diferentes potências instaladas __________________________________________________________________________ 136 Tabela 6-59: Caudal Volúmico Total dos produtos de Combustão para uma potência instalada de 6kW __________________________________________________________________________________ 137 Tabela 6-60: Caudal Volúmico Total dos produtos de Combustão para uma potência instalada de 13kW __________________________________________________________________________________ 137 Tabela 6-61: Caudal Volúmico Total dos produtos de Combustão para uma potência instalada de 35kW __________________________________________________________________________________ 137 Tabela 6-62: Caudal Volúmico Total dos produtos de Combustão para uma potência instalada de 50kW __________________________________________________________________________________ 137

xviii

Tabela 6-63: Caudal Volúmico Total dos produtos de Combustão para uma potência instalada de 80kW __________________________________________________________________________________ 137 Tabela 6-64: Caudal Volúmico Total dos produtos de Combustão para uma potência instalada de 220kW __________________________________________________________________________________ 138 Tabela 6-65: Caudal Volúmico Total produtos de combustão do gás natural ____________________ 138 Tabela 6-66: Massa volúmica dos produtos de combustão ___________________________________ 138 Tabela 6-67: Massa volúmica dos gases de combustão para as diferentes potências instaladas _____ 139

xix

Simbologia

Lista de siglas e abreviaturas

GEE Gases Efeito de Estufa

OCDE Organização para Cooperação e Desenvolvimento Económico

IEA Agência Internacional de Energia (International Energy

Agency)

BP British Petroleum

PIB Produto Interno Bruto

GIS Sistema de Informação Geográfica PTP Pressão e Temperatura Padrão AQS Águas Quentes Sanitárias

APETRO Associação Portuguesa de Empresas Petrolíferas

Símbolos Químicos CO Monóxido de Carbono CO2 Dióxido de Carbono NOX Óxido de Azoto H2O Água O2 Oxigénio N2 Azoto Gasóleo Gás Natural Símbolos Matemáticos hf Entalpia de Formação

Entalpia de Formação Padrão

xx

pref Pressão atmosférica de Referência

P Potência

λ Coeficiente de excesso de ar

Massa de um quilomol gasóleo

Massa de ar necessária por quilograma de gasóleo

Mi

PCI Poder calorífico inferior

Potência da Caldeira

Caudal mássico do gasóleo Rendimento Total da Caldeira

Caudal mássico de ar para a combustão do gasóleo Caudal mássico dos produtos de combustão do gasóleo

Caudal total dos gases de combustão do gasóleo

Número de quilomol do produto de combustão i Massa do produto de combustão i

Massa de ar necessária por cada kg de gás natural

Massa de Gás Natural

Caudal mássico do Gás Natural

Caudal mássico de ar para a combustão do gás natural

Caudal mássico dos produtos de combustão do gás natural

Caudal total dos gases de combustão do gás natural

Variação de energia de um sistema

Variação de estado de um sistema

Variação de energia química de um sistema

Entalpia de formação do gasóleo

Entalpia de formação do gás natural Temperatura adiabática da chama do gasóleo

Temperatura adiabática da chama do gás natural

Caudal volúmico de cada produto de combustão do

xxi

Caudal volúmico dos produtos de combustão do

hidrocarboneto à escolha

Densidade de cada produto de combustão

Densidade dos gases de combustão

Oxigénio necessário à queima de 1 kg de pellets

Massa molar CO2

Caudal mássico H2O produtos Combustão pellets

Massa molar H2O

Caudal mássico SO2 produtos Combustão pellets

Massa molar SO2

Caudal mássico N2 produtos Combustão pellets

Caudal mássico O2 produtos Combustão pellets

Caudal total dos gases de combustão dos pellets

Temperatura adiabática da chama para os pellets

23

1. Introdução

O consumo de energia a nível mundial tem crescido de forma contínua, sendo que, este crescimento está diretamente relacionado com a diminuição da pobreza, aumento populacional, industrialização, crescimento económico dos países em desenvolvimento e o transporte de pessoas e bens. Logo uma condição fundamental para o desenvolvimento sustentável é a existência de uma fonte de energia em si mesma sustentável.

Tendo Portugal uma conhecida vasta capacidade de produção de energia sustentável, especificamente biomassa, esta enfrenta problemas com o seu escoamento, nomeadamente, quando se trata de alguns resíduos agrícolas e florestais. Neste sentido, e com a realização deste trabalho, pretende-se potenciar a exploração e o aproveitamento dos recursos florestais e agrícolas no concelho de Vila Pouca de Aguiar.

No Capitulo 2, vamos falar dos pellets e na sua importância nos dias de hoje. O tema de maior foco neste capítulo é relativo à mecânica e os processos envolvidos na produção dos mesmos, desde a sua recolha até ao seu armazenamento.

De seguida, no Capítulo 3, introduzimos as caldeiras e os equipamentos para aquecimento, os quais vão ser aplicados mais tarde, no Capítulo 6, para a mudança de sistemas de aquecimento. Fez-se também referência à Combustão – Capítulo 4, pois todo o estudo advém da mesma.

O enquadramento do local e a aplicação dos modelos matemáticos são feitos nos Capítulos 5 e 6, respetivamente. No primeiro falamos do concelho de Vila Pouca de Aguiar e implantação de uma unidade de produção de pellets para abastecimento local, assim como estudamos a viabilidade económica da implantação da mesma. Os modelos matemáticos foram criados para estudar a viabilidade económica da substituição dos aparelhos que funcionam a eletricidade, a gasóleo e a gás natural, nos edifícios públicos, desde escolas a espaços de lazer, no concelho por equipamentos que trabalham com pellets.

Por último, no Capítulo 7 apresentam-se todas as conclusões relativamente ao trabalho realizado.

1.1. Consumo de Energia

A procura dos vários tipos de combustíveis depende fortemente da sua aplicação, da localização e dos recursos regionais, custos, fatores de impacto ambiental, segurança, fatores socioeconómicos e políticos. O consumo de energia reflete tanto o ritmo de atividade dos

24 setores industrial, comercial e de serviços, quanto a capacidade da população para adquirir bens e serviços tecnologicamente mais avançados, como automóveis (que requerem combustíveis), eletrodomésticos e eletroeletrónicos (que exigem acesso à rede elétrica e requerem o consumo de energia elétrica).

A energia é vital em todas as economias, é utilizada em praticamente todos os processos produtivos, sendo também um indicador importante no consumo final das famílias. Deste modo, características estruturais em termos de produção e consumo de energia, bem como choques nos preços ou quantidades, têm um forte impacto na maior parte das variáveis económicas.

A expansão acentuada do consumo de energia, embora possa refletir o crescimento económico e a melhoria da qualidade de vida, tem aspetos negativos. Um deles é a possibilidade do esgotamento dos recursos fósseis utilizados para a produção de energia, outro é o impacto no meio ambiente produzido por essa atividade e por último, os elevados investimentos exigidos na pesquisa de novas fontes e construção de novas instalações elétricas.

As práticas para estimular o uso eficiente da energia dividem-se em dois principais grupos: ações educativas da população e investimentos em equipamentos e instalações.

Os 34 países desenvolvidos que compõem a Organização para Cooperação e Desenvolvimento Económico (OCDE1) são, historicamente, os maiores consumidores mundiais de energia. A sua participação no total mundial, porém, tem recuado ao longo do tempo. Já nos países em desenvolvimento, a participação relativa, ainda que em alguns casos seja pouco expressiva, como na América Latina, registou um aumento acumulado superior a 100% nas últimas três décadas. A Figura 1-1 mostra os diferentes volumes de consumo de energia primária per capita nas diversas regiões do mundo.

Esta desigualdade é explicada pela estrutura económica e social de cada um dos dois grupos assim como pelo número de habitantes.

Os países que compõem o primeiro grupo, e neste caso, na Figura 1-1, os mais escuros, são caracterizados por uma economia relativamente estável, em que não há espaço para aumentos acentuados na produção industrial ou no consumo de bens que pressionam a absorção de energia, como automóveis, eletrodomésticos e eletroeletrónicos (World Bank,

2015).

1 _{Países membros OCDE: Alemanha, Austrália, Áustria, Bélgica, Canadá, Chile, Coreia, Dinamarca, Espanha, Estados Unidos,}

Eslovénia, Estónia, Finlândia, França, Grécia, Hungria, Irlanda, Islândia, Israel, Itália, Japão, Luxemburgo, México, Noruega, Nova Zelândia, Países Baixos, Polónia, Portugal, Reino Unido, República Checa, Suécia, Suíça e Turquia

25 Apesar da mobilização pelo investimento em fontes menos agressivas para o meio ambiente, os recursos renováveis não-hídricos fornecem apenas 1,6% da energia total do mundo. É sabido também, que o rápido acréscimo da requisição de carvão é resultado das altas taxas de crescimento económico em países em desenvolvimento. O maior desafio global, atualmente, é satisfazer o rápido crescimento das necessidades energéticas nessas regiões.

Relativamente ao consumo do gás natural, a sua participação na oferta de energia primária em 2007 foi de 20,9% e deve aumentar para 21,2% em 2030, de acordo com a Agência Internacional de Energia (IEA). Especialistas do Fórum Económico Mundial referem que, em 2012 o uso da energia renovável liderada pela energia eólica subiu de 1,4% em 2000 para 4% em 2011 no mix global de geração de energia. Estima-se que o gás natural se torne cada vez mais importante no futuro, tanto pela comodidade que oferece aos seus utilizadores, pela sua eficiência, pois a sua queima gera grande quantidade de energia térmica, é mais económico seja em manutenção seja em compra. O gás natural, sendo mais leve que o ar, em caso de vazamento, dissipa-se rapidamente na atmosfera, diminuindo o risco de explosões e incêndios.

26 1.1.1. Consumo de energia para aquecimento

O estilo de vida dos habitantes exerce um efeito significativo na eficiência térmica geral. As pesquisas efetuadas demonstraram que ações e rotinas descuidadas podem triplicar a energia necessária para aquecer um edifício. A ventilação excessiva, por exemplo, quando se mantêm as janelas abertas todo o dia, mesmo no Inverno, pode anular os benefícios associados às ações de eficiência energética tomadas na construção. Por este motivo, é importante que os habitantes do edifício estejam sensibilizados para a eficiência energética.

Em especial nas casas com consumos de energia para aquecimento muito baixos, é importante ter em conta as pontes térmicas (pontos frios). O consumo total de energia de um edifício depende também da eficiência do sistema de aquecimento. Normalmente, os sistemas de aquecimento elétrico são os de eficiência mais baixa, enquanto que as caldeiras a gás ou as bombas de calor apresentam eficiência elevada. A Figura 1-2 mostra o preço médio no mercado das diferentes fontes de energia para aquecimento.

Figura 1-2: Preço de mercado de diferentes fontes de energia para aquecimento em 2014

1.2. Análise do Mercado Português

Portugal é um país com escassos recursos de energia primária, nomeadamente, aqueles que asseguram a generalidade das necessidades energéticas do país2. Esta escassez de fontes primárias de origem fóssil conduz a uma elevada dependência energética exterior. Importa assim aumentar a contribuição das fontes de energia renováveis.

2 Petróleo, gás e carvão Gás Natural Gás Propano Gasóleo Aqueciment o Electricidad e Pellets Preço Médio (€/kWh) 0,075 0,16 0,16 0,178 0,055 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2

27 Cerca de 38% do território português é coberto por florestas e estima-se que se produz anualmente 6,5 milhões de toneladas de biomassa florestal em Portugal, dos quais 4,2 milhões de toneladas podem ser aproveitadas para a conversão em energia elétrica (IEA, 2004).

O Eurostat3 refere que Portugal continua a ser um dos países que tem uma das taxas de dependência energética mais alta da União Europeia, onde 77,4% da energia consumida no país vem do exterior, um valor semelhante a Espanha (76,4%), mas inferior a países como Itália (81,3%) ou Irlanda (88,9%).

Segundo dados da British Petroleum (BP), o consumo de crude está a acelerar desde 2003 apesar do choque nos preços internacionais da matéria-prima. O crescimento do consumo de petróleo registou uma quebra em 2003, ano de recessão, mas desde então que está a subir de forma ritmada. No entanto, esta maior intensidade energética4 da economia não se traduziu em mais crescimento, como provam os dados do PIB dos últimos anos. Pelo contrário, em 2006, Portugal precisou de pagar quase 51€ para criar 1.000€ de riqueza (PIB), naquele que é o maior valor desde 1985.

A generalidade dos especialistas concorda que a ineficiência no uso da energia é o maior problema do país. Portugal teria necessidade de reduzir em 20% o seu consumo de energia com recurso a mais eficiência, assim iria poupar 1,2 mil milhões de euros anuais. Oliveira Fernandes, professor da FEUP, reitera que 60% do consumo é desperdiçado, ao mesmo tempo que pede um reforço cada vez maior nas fontes renováveis, como as eólicas e a energia solar, e na modernização das construções, outro dos pontos por onde se escapa boa parte da energia. Esta é comprada ao estrangeiro, a preços significativamente elevados, tendo em conta o contexto de forte contenção do lado da oferta e de procura cada vez maior por causa da emergência de novas economias, como China e Índia.

1.3.Biomassa

De acordo com o relatório do Comité Europeu de Normalização, (CEN/TS 14980:2004) a biomassa é um material de origem biológica, excluindo materiais inseridos em formações geológicas ou transformados em fósseis. Esta definição é muito próxima da definição feita no âmbito da CEN/TC 335 “Solid Biofuels”, com a diferença que o carvão encontrado à superfície da Terra está claramente excluído.

3 _{Instituição estatística}

4 _{Indicador energético que se refere à relação entre o consumo final de energia de uma determinada área socioeconómica e o seu}

28 O aproveitamento da biomassa está, desde sempre, ligado à necessidade de madeira para energia, nomeadamente para utilização doméstica e industrial, como por exemplo, a lenha, carvão vegetal, os quais continuam a ser comercializados e têm origens tão simples como o pinheiro, o eucalipto, a azinheira, etc.

Historicamente, as avaliações florestais tinham como objetivo fazer o balanço do potencial de uma floresta levando em consideração apenas o aspeto das reservas de madeira. Estudos e análises tendo em conta não só a preservação da biodiversidade das áreas florestais como também do clima começaram a intensificar-se (Loução, 2008).

Segundo Martinelli et al. (1994), biomassa é a quantidade expressa em massa do material vegetal disponível numa floresta, sendo que os componentes de biomassa geralmente estimados são a biomassa viva horizontal acima do solo, composta de árvores e arbustos, a biomassa morta acima do solo, composta por troncos caídos e a biomassa abaixo do solo, composta pelas raízes. A biomassa total é dada pela soma de todos estes componentes e inclui ainda gases e líquidos recuperados da decomposição do material não fóssil e biodegradável. Quando queimado para efeitos energéticos é referido como combustível de biomassa.

A Figura 1-3 apresenta a estrutura química da biomassa.

Os principais constituintes químicos da Biomassa são a lignina, a celulose e a hemicelulose. A celulose é um polímero natural, a sua estrutura pode ser classificada em três

29 níveis organizacionais. O primeiro é definido pela sequência de resíduos β-D-glicopiranosídicos unidos por ligações covalentes, formando o homopolímero de anidroglicose com ligações β-D (1→4) glicosídicas, de fórmula geral (C6H10O5)n. O segundo

nível descreve a conformação molecular, isto é, a organização espacial das unidades repetitivas, e é caracterizado pelas distâncias das ligações e respetivos ângulos e pelas ligações de hidrogênio intramoleculares. O terceiro nível define a associação das moléculas formando agregados com uma determinada estrutura cristalina. Estes agregados conferem elevada resistência à tensão, tornando a celulose insolúvel em água e num grande número de outros solventes.

As hemiceluloses são heteropolissacarídeos complexos compostos por glucose, D-galactose, D-manose, D-xilose, L-arabinose, ácido D-glucurônico e ácido 4-O-metil-glucurônico. São estruturalmente mais semelhantes à celulose do que a lignina.

A lignina, depois da celulose, é a macromolécula mais abundante dentro das biomassas lignocelulósicas. É um heteropolímero amorfo que consiste em três diferentes unidades de fenilpropanos: álcool p-cumarílico, álcool coferílico e álcool sinapílico. A estrutura da lignina não é homogênea, possui regiões amorfas e estruturas globulares. A composição e a organização dos constituintes da lignina variam de uma espécie para outra, dependendo da matriz de celulose-hemicelulose.

A biomassa é uma fonte de energia renovável e pode ser utilizada em habitações, tanto sob a sua forma mais tradicional5 como sob uma forma mais processada6, a biomassa, proveniente de resíduos florestais, é uma das fontes locais de energia renovável ao nosso dispor para produzirmos calor.

Enquanto que a lareira aberta tradicional não é eficiente, porque apenas 10% do calor produzido na queima da biomassa chega a ser usufruído pelas pessoas que se encontram próximas, os recuperadores de calor, que têm uma caixa de combustão fechada, conseguem ter um rendimento de até 88%. Um dos motivos porque o calor não chega às pessoas que se encontram junto a uma lareira tradicional aberta, é o efeito de convecção produzido pela queima, que aspira o ar circundante pela conduta de fumos, produzindo correntes de ar, extremamente desconfortáveis, sobretudo no Inverno.

5 _{Lenha e pinhas}

6

30

Figura 1-4: Produção primária de energia, o consumo bruto de eletricidade e consumo de calor

a partir da biomassa sólida na União Europeia (EurObserv’ER, 2015)

Os recuperadores de calor são equipamentos que conseguem produzir o calor desejado de forma muito eficiente e simultaneamente resolver todas as situações menos convenientes associadas à queima de biomassa em fogo aberto.

O sistema a pellets funciona como um recuperador de calor, este utiliza uma fonte de energia renovável sob a forma de granulado da madeira, a qual é produzida a partir dos desperdícios resultantes da limpeza de florestas e das sobras da indústria da madeira.

No que toca a geração de energia elétrica, a biomassa é a segunda fonte de energia renovável mais utilizada, a seguir à hídrica.

A maior parte desta energia elétrica, é produzida em países da OCDE, muitas vezes sob a forma de produção combinada de eletricidade e energia térmica, a chamada cogeração. A energia da biomassa pode ser uma boa opção energética, pois é renovável e gera baixas quantidades de poluentes. Na Figura 1-4 é apresentada a produção total de energia, assim como o consumo bruto de eletricidade e calor a partir da biomassa.

31 Para uma soma total na Europa tem-se:

- 88,1 Mtep: Produção de energia primária de biomassa sólida na União Europeia em

2013.

- 81,7 TWh: Produção bruta de eletricidade a partir da biomassa sólida na União

Europeia em 2014.

- 72,4 Mtep: Consumo de calor a partir da biomassa sólida na União Europeia em 2013.

1.4.Ciclo neutro de carbono

A madeira é considerada energia solar armazenada, sendo os seus componentes: água, luz solar e dióxido de carbono. A madeira só liberta7 a quantidade de dióxido de carbono que extraiu do ar enquanto ser vivo, recuperando-o quimicamente enquanto árvore. Contudo, se a madeira apodrece na floresta ou é utilizada numa caldeira para aquecimento doméstico sob a forma de lenha ou de pellets, a libertação de dióxido de carbono será sempre a mesma.

A Figura 1-5 explica o Ciclo Neutro de Carbono, segundo o qual, o dióxido de carbono libertado durante o processo de combustão é absorvido posteriormente pelas restantes árvores, criando assim um ciclo natural de absorção de dióxido de carbono, isto é, carbono neutro.

A queima de madeira ou pellets para aquecimento é ecologicamente responsável, uma vez que na generalidade dos países europeus se tem verificado um aumento considerável do

7

Durante a queima

32 material lenhoso proveniente da produção florestal, que se estima ser em média 40% superior ao consumo de lenha.

1.5.Biomassa em Portugal

Em Portugal, a utilização mais comum de biomassa é a combustão da madeira ou de resíduos relacionados para fins térmicos no sector industrial ou no sector doméstico. No sector industrial são utilizados para fins energéticos sobretudo resíduos do próprio processo de fabrico ou do processamento da matéria-prima e no sector doméstico, utiliza-se uma ampla mistura de resíduos florestais de madeira.

A floresta ocupa cerca de 38% do território Português, no entanto estes números não revelam o panorama atual do rendimento potencial da biomassa florestal, que se traduz pelo quase "abandono" da floresta, sendo difícil quantificar o verdadeiro potencial energético deste recurso.

A valorização energética da biomassa florestal, em resultado da execução das operações de instalação, gestão e extração florestal tem a vantagem de poder contribuir para a diminuição do risco de ocorrência de incêndios florestais através da redução do material combustível existente nas florestas. Adicionalmente a biomassa existente pode ser transformada, pelas diferentes tecnologias de conversão, em energia térmica e elétrica, trazendo benefícios sociais, económicos e ambientais.

Obstáculos como a falta de equipamentos para sistemas de recolha adequado, falta de uma estrutura do sector, falta de consideração em relação ao tratamento fiscal adequado receio dos proprietários e industriais da indústria de madeira, uma grande agressividade de sectores concorrentes como o do gás, têm originado uma estagnação do aproveitamento deste potencial.

Atualmente o potencial quantificável passa sobretudo pela biomassa florestal não havendo números para o sector agrícola, onde os resíduos da vinha, indústria do vinho, podas de olivais e árvores de frutos, do bagaço da azeitona, etc., poderão ter um interesse exploratório considerável.

Os estudos de biomassa florestal são feitos com objetivos diversos, os quais se destacam a quantificação da reciclagem de nutrientes, a quantificação para fins energéticos e como base de informação para estudos de libertação de carbono. Esses estudos são de grande importância no que toca a tomar decisões no manuseamento dos recursos florestais (PÁSCOA

33

et al,. 2004). O interesse na completa utilização da árvore8, o uso dos resíduos da manufatura de produtos florestais, a quantificação de material combustível em relação ao potencial de incêndio de uma floresta e outras abordagens aumentam a importância dos estudos de biomassa. Guedes et al. (2001) afirmam que a biomassa com unidades em kg/m2 é um indicador de produtividade (kg/m2.ano) de um sítio, variando com a precipitação, a temperatura, a latitude e a altitude. A produtividade e a biomassa podem não ser relacionadas e variam com o estado da vegetação em causa, por exemplo, uma floresta adulta que tem muita biomassa pode ter baixa produtividade. Ao analisar o consumo de energia primária proveniente da biomassa, constata-se uma grande diferença entre os países industrializados e os países de terceiro mundo. Nos países industrializados a biomassa cobre apenas 4% das necessidades energéticas. Nos países emergentes, cerca de 22% da energia consumida tem origem na biomassa.

A Figura 1-6 mostra a distribuição dos diferentes tipos de biomassa florestal pelo país.

8

Raízes, tronco, ramos

34 Como é visível na Figura 1-6 a biomassa é um recurso abundante e bem distribuído em Portugal que, se for devidamente aproveitado, irá permitir reduzir substancialmente a dependência energética do exterior.

O volume de biomassa florestal e a sua distribuição são fatores controladores do stock de carbono global, como também servem de base para o prognóstico futuro de mudanças climáticas (SEDJO, 1992; DIXON et al., 1994). Existem seis fatores que afetam a biomassa e a sua produtividade, estes são a idade do povoamento, a variabilidade genética, a nutrição, a altitude, a humidade do solo e os desbastes. O total de biomassa acima do solo também varia por região geográfica, tipo de região (húmida, encharcada ou seca), tipo florestal, estrutura florestal e grau de distúrbio da floresta. Existe também uma relação entre biomassa e a produtividade primária, conhecida como acumulo de biomassa. Essa relação é geralmente baixa em florestas jovens de rápido crescimento, onde é requerida mais energia para manter o alto stock de biomassa existente. Os estudos para a quantificação de biomassa florestal dividem-se em métodos diretos ou determinação e métodos indiretos ou estimativas. Todas as árvores de uma determinada parcela são derrubadas e pesadas, sendo feita em seguida a extrapolação da avaliação mostrada para a área total de interesse. A estimativa de biomassa pelo método indireto consiste em correlacioná-la com alguma variável de fácil obtenção e que não requeira a destruição do material vegetal. As estimativas podem ser feitas por meio de relações quantitativas ou matemáticas, como razões ou regressões de dados provenientes de inventários florestais9, por dados de sensores remotos10 e utilizando-se uma base de dados num sistema de informação geográfica11.

O aproveitamento da biomassa, como fonte de energia renovável, pode revelar-se uma oportunidade de valorização do mundo rural através da melhoria da gestão das explorações, na criação de empreendimentos e de emprego.

O aumento no recurso a energias renováveis irá contribuir para atingir os compromissos assumidos no âmbito do Protocolo de Quioto de redução das emissões de gases com efeito de estufa.

9 _{Largura, altura e volume}

10 _{Imagens de satélite}

11 _{GIS - Geographic Information System: é um sistema de hardware, software, informação espacial, procedimentos}

35 1.6.Potencial e Custos de Biomassa

O potencial da conversão da energia contida na biomassa em energia elétrica é avaliado em mais de 1,4 TWh por ano. Esta estimativa baseia-se numa eficiência das centrais térmicas de 30% mas este valor pode vir a aumentar no futuro com a utilização de tecnologias avançadas de combustão

Para que a biomassa seja utilizada noutros sectores energéticos que não a produção de eletricidade é necessário estabelecer todo um circuito e um mercado com capacidade de abastecimento garantida, com produtos de características uniformes. Neste caso e em particular para os consumidores domésticos ou pequenos consumidores, o uso de pellets pode ser a alternativa com mais futuro.

No que diz respeito à força de vendas, o mercado de pellets é caracterizado por contratos de fornecimento envolvendo grandes volumes de compra e, sobretudo, de longo prazo. A estratégia de preço a custos reduzidos proporcionará ganhos de escala, desta forma a força de vendas terá importante papel no aumento de participação no mercado.

A Dinamarca, a Estónia, a Roménia e a República Checa são os países da UE menos dependentes da importação de energia, sendo que os cinco principais consumidores são a Alemanha (316 milhões de tep), França (260 milhões de tep), Reino Unido (199 milhões de tep), Itália (173 milhões de tep) e a Espanha (129 milhões de tep).

O facto de na Europa existir matéria-prima disponível para a produção de pellets e políticas energéticas favoráveis, torna o preço deste combustível competitivo.

A Suécia, Alemanha e Áustria são os países Europeus que apresentam os mercados mais desenvolvidos, ao passo que países como Itália, Bélgica, França e Reino Unido estão agora a seguir esta tendência.

As razões para as altas taxas de crescimento do uso da biomassa, como combustível alternativo, parecem ser diferentes em cada país, pois a utilização deste combustível depende fortemente das políticas energéticas de cada um deles, sendo os pellets usados principalmente na produção de calor, mas alguns países também recorrem a estes para produzir eletricidade.

Na Suécia, por exemplo, a política fiscal sobre os combustíveis promove os aglomerados de madeira e torna-os importantes e baratos relativamente ao petróleo e à energia elétrica. Relativamente aos custos de investimento, estes são baixos, quando a biomassa densificada é usada em sistema de aquecimento, sendo este outro fator que abona a favor dos

36

pellets. Relativamente aos preços, por exemplo, na Áustria e na Alemanha, as diferenças de

preços de combustíveis são menos significativas, mas a subida previsível dos preços dos combustíveis e impostos, bem como o elevado nível técnico dos pellets para sistemas de aquecimento a favor do meio ambiente e os incentivos governamentais parecem ser motivação suficiente para investir nesta tecnologia.

O desempenho económico dos pellets dependerá sempre do preço da energia, ou seja, do preço do petróleo. Tem-se verificado uma elevada inconstância no preço do petróleo devido à instabilidade em vários países produtores (como a Arábia Saudita, Venezuela e Nigéria), oferta limitada, elevação da procura por parte da China e Índia, depreciação do dólar e a especulação dos mercados. Esta instabilidade do preço do petróleo, juntamente com os preços competitivos dos pellets pode contribuir para que a utilização destes para o aquecimento dos edifícios seja cada vez mais uma necessidade para todos os consumidores.

39

2. Pellets

Os pellets são pequenas peças cilíndricas feitas de resíduos de madeira natural, tais como lascas de madeira e resíduos da indústria transformadora de madeira, bem como resíduos florestais.

Estas matérias-primas são trituradas e compactadas a alta pressão, sem uso de colas ou outros aditivos. A lignina, constituinte da madeira, é a cola natural que é o único agente de ligação.

Os pellets de madeira para aquecimento são extremamente densos e devem ser fabricados com um baixo índice de humidade, o que lhes permite serem queimados com uma elevada eficiência calorífica. Para obter um rendimento ótimo, é necessário fazer uma montagem precisa dos pellets utilizando diferentes tipos de madeira com elevado poder calorífico.

Comparado com os sistemas convencionais de aquecimento, tais como caldeiras a gasóleo ou a gás, a tecnologia de aquecimento de pellets ainda tem desvantagens em termos de ocupação de espaço, eficiência, emissões e manutenção.

Sendo os pellets derivados da biomassa, estes podem ser utilizados em aquecimento ambiente, aquecimento de piscinas, produção de energia elétrica, entre outros. Devido à queima dos pellets não produzir fumos, nem cheiros e não ter problemas de extração por não conter resíduos, os recuperadores a pellets não necessitam de chaminé, apenas um tubo de respiração para o exterior. O funcionamento é efetuado com um controlo de combustão fácil de utilizar, através de um mecanismo eletrónico, regulando vários níveis de calor emitido.

2.3. Processo de produção de Pellets

Para a transformação da biomassa em pellets, a biomassa é transportada e entregue na unidade industrial de processamento. Esta deve ser adquirida localmente12 e ficará inicialmente numa área de armazenamento para secagem natural por 20 dias para redução de 5% á 10% de humidade e depois passará para o silo de matéria-prima, podendo ficar armazenada por três dias.

12

40 A matéria-prima pode entrar em forma de estilha ou madeira em bruto, dependendo da sua origem, como é apresentado na Figura 2-1. Caso a biomassa seja proveniente da indústria transformadora da madeira, esta entra diretamente na fase de homogeneização e, quando vem diretamente das explorações florestais ou agrícolas, esta vai ter que entrar na fase de trituração ou estilhagem, onde a matéria-prima deve estar livre de qualquer tipo de contaminante.

Nem toda a matéria-prima que é recolhida no terreno vem em perfeitas condições, ou seja, por vezes é necessário recorrer a uma nova moagem. Esta moagem consiste, particularmente, na diminuição do tamanho e na homogeneização na uniformidade da matéria-prima que, seguidamente, dará origem aos pellets. As partículas resultantes do processo de homogeneização devem apresentar uma granulometria aproximada de 1mm para poder ser processada (Loução, 2008).

Para a separação das misturas é utilizada a Peneira Rotativa visível na Figura 2-2. A homogeneização e estabilização da biomassa tem como propósito obter um material com características constantes dado que o mercado é exigente e as normas assim o obrigam. Como tal, o material tem que se apresentar com uma superfície extremamente lisa e muito resistente à abrasão, brilhante, sem fendas para assim evitar a formação de pó de forma a proporcionar um bom embalamento e fácil transporte, pelo que deve ter uma boa resistência mecânica e ser de fácil conservação.

41 Sabendo que a matéria-prima adquirida apresenta uma percentagem de humidade normalmente superior a 50%, torna-se assim necessário recorrer a uma diminuição da humidade e, para isso, é necessária uma secagem antes de passar à sua utilização – Figura 2-3. Quanto à qualidade dos pellets, varia consoante o material utilizado na sua produção, em suma, a qualidade dos pellets mede-se pela quantidade de calor emitido, assim como pela quantidade de resíduo restante na câmara de combustão, pois quanto menor for o resíduo ou cinza que os pellets deixarem na câmara de combustão, melhor qualidade têm os pellets.

A secagem é a etapa que consome mais energia na produção de pellets. Este setor é o responsável pela extração da água existente na matéria-prima. A energia térmica necessária a este processo provém de uma fornalha pirolítica na qual é queimada a biomassa, esta vai

Figura 2-2: Peneira Rotativa (LIPPEL)

42 aquecer o secador de tambor rotativo. Devido às elevadas temperaturas envolvidas, a humidade existente na matéria-prima vaporiza13. A matéria-prima, uma vez seca, entra na câmara de combustão situada à saída do secador onde segue até a um sem-fim de descarga.

Numa fase posterior, através de uma cinta transportadora, a matéria-prima segue um de dois percursos obrigatórios, para um triturador ou para silos de armazenamento. A câmara de combustão tem como finalidade incorporar na matéria-prima aditivos, sendo eles, do tipo aglutinante, lubrificante ou protetores. Na aplicação de aditivos, a maior parte dos produtores Europeus não é muito unânime dado que, certos aditivos libertam fumo durante a combustão, fator este que é contra as expectativas dos produtores dos pellets, uma vez que estes querem um combustível completamente “limpo”, ou seja, livre de emissão de contaminantes.

Antes de chegar à pelletizadora, a matéria-prima é forçosamente passada por um filtro, para que aí se faça uma reclassificação das partículas de acordo com o tamanho. As partículas que fiquem retidas neste filtro, são devidamente conduzidas a nova trituração, até estarem nas conformidades exigidas e as que passam nos filtros, ou seja, as que respeitam as medidas, são conduzidas para uma mesa doseadora que regula a entrada do material, garantindo um fluxo contínuo e uniforme de material na máquina pelletizadora.

A pelletização da madeira é efetuada em máquinas pelletizadoras do tipo anel – Figura 2-4, e do tipo plana – Figura 2-5.

13

Sendo libertada para a atmosfera e que pode ser utilizada com turbogeradores para co-geração de energia

43

Figura 2-5: Esquema de funcionamento máquina pelletizadora com matriz plana

O sistema de extrusão destas máquinas é constituído por uma matriz, na qual giram de 1 a 3 rolos de pressão.

A distância dos rolos à matriz e a pressão deles exercida sobre os materiais da estrutura são determinadas numa unidade de regulação de pressão hidráulica, posicionada na extremidade do eixo principal. As facas para a cortar o material eliminado estão situadas por baixo da matriz e fixas ao eixo principal. Depois do corte o produto cai sobre um plano que se situa abaixo da matriz. A superfície útil da matriz é aquela sobre a qual circulam os rolos de pressão, onde é comprimida a biomassa entre duas circunferências de raio diferente. O rolo de pressão tem de rodar com velocidade periférica constante para não provocar um deslizamento entre rolos, biomassa e matriz.

O esmagamento da biomassa faz-se sobre a superfície interna, no percurso de ação de dois ou três rolos móveis, montados sobre um suporte concêntrico e independente da matriz

44 em contra rotação. A superfície cilíndrica externa dos rolos de pressão tem a função de aumentar o atrito que se cria entre o rolo e a biomassa, durante a fase de esmagamento, para impedir que o material deslize para fora da zona de pressão (Loução, 2008).

Com a matéria-prima já triturada e dentro da pelletizadora, esta é preparada mediante o uso de vapor, que contribuí para a humidificação superficial, ajudando a que lignina atue com maior facilidade sobre as fibras que compõem os pellets, isto é este vapor serve de lubrificante no processo de pelletização.

A pelletizadora, apresentado na Figura 2-6, é um equipamento construído para trabalhar sob grande carga, projetado para fácil acesso interno, facilitando a manutenção tendo que assegurar a alta produtividade e qualidade do pellet.

A linha de pelletização conclui-se com o arrefecimento e passagem por um sistema de extração de pó do material pelletizado. Quando a biomassa sai da máquina pelletizadora, a sua temperatura é elevada (90 a 95ºC).

O arrefecimento, Figura 2-7, representa uma etapa muito importante, visto que é nesta etapa que os pellets adquirem as suas propriedades mecânicas, ou seja, o arrefecimento contribui para que a lignina da madeira atinja o seu maior potencial aglutinante.

O sistema de arrefecimento consiste numa câmara vertical, de onde os pellets caem em fluxo de contracorrentes, permitindo diminuir a sua temperatura. Devido à fricção gerada durante o processo, ocorre um aquecimento adicional dos pellets, este calor deve ser removido antes de serem peneirados e armazenados. O arrefecimento ocorre através da retirada do ar ambiente, provocando uma temperatura entre 5 e 10°C acima da temperatura ambiente.

45 Ao contrário da secagem, o arrefecimento é um processo que não necessita de muita energia, necessitando apenas de alimentação para os ventiladores, e como tal é pouco dispendiosa.

Os ventiladores insuflam ar para o interior de uma câmara na qual caem as pellets, promovendo assim o seu arrefecimento. O fluxo de ar é normalmente feito em contracorrente.

Os granulados cilíndricos obtidos, estão normalmente entre os 6mm a 8mm de diâmetro, atingindo entre 10mm a 40mm, reduzindo as cinzas e a humidade em 10%, com um poder calorífico de 17,7 MJ (4500kcal), aproximadamente 4,8 MWh por tonelada (possibilita um funcionamento contínuo de 12 a 36h).

Devido ao seu tamanho reduzido, permitem dosear unidades inferiores, estimando a quantidade que vai ser queimada para a produção de energia térmica. Devido à sua geometria regular e o seu tamanho, favorecem uma alimentação contínua e calibrada das caldeiras. Para além disso, por ser um combustível denso, permite um armazenamento mais compacto e uma maior facilidade de transporte.

2.3. Análise da procura

A parcela de mercado é ampla, já que o uso dos pellets é feito tanto a nível industrial14 como a nível doméstico, estando assim não só os domicílios particulares como também

14

Todo o tipo de indústrias que procurem a geração de energia térmica