MECÂNICA
Eduardo Choozo Arenas Kami
ANÁLISE TERMOECONÔMICA DE SISTEMA HÍBRIDO SOLAR TÉRMICO INTEGRADO À UNIDADE DE RECUPERAÇÃO ENERGÉTICA DE RESÍDUOS SÓLIDOS
URBANOS
Florianópolis 2019
ANÁLISE TERMOECONÔMICA DE SISTEMA HÍBRIDO SOLAR TÉRMICO INTEGRADO À UNIDADE DE RECUPERAÇÃO ENERGÉTICA DE RESÍDUOS SÓLIDOS
URBANOS
Dissertação submetida ao Programa de
Pós-Graduação em Engenharia
Mecânica da Universidade Federal de Santa Catarina para a obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Mecânica.
Orientador: Prof. Edson Bazzo, Dr. Eng.
Florianópolis 2019
Gostaria de transmitir meus agradecimentos a todos àqueles que contribuíram de maneira direta para a elaboração desta dissertação. Agradeço, especialmente, à Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) e ao Programa de Pós Graduação em Engenharia Mecânica (PosMec), por me conceder a oportunidade do mestrado, um ensino superior de qualidade e gratuito; ao Fraunhofer-ISE o suporte técnico e financeiro durante o período de pesquisa em Freiburg-Alemanha no ano de 2017, à Steag Energy Services, em ceder gentilmente a licença acadêmica do software Ebsilon Professional® utilizado no trabalho. Agradeço pela confiança de meu orientador, Professor Edson Bazzo, cujos ensinamentos, ideias, incentivo e orientação no tema e no mundo da termodinâmica de sistemas térmicos possibilitaram a conclusão deste trabalho.
Quero também agradecer a todos aos inúmeros colegas que tive a oportunidade de conhecer durante o período de pesquisa de mestrado em Freiburg (Ahmed Mestiri, Douha Faisal, Felipe Chaparro, Sara Mekki, Theda Zoschke), que durante o breve período de estadia me deram suporte e possibilitaram o compartilhamento de experiências científicas, profissionais e culturais. Um agradecimento especial ao Dr. Pedro Horta, pelo convite para me juntar ao Fraunhofer-ISE e desenvolver a pesquisa em sistemas solares de concentração.
Agradeço também aos amigos do Laboratório de Combustão e Engenharia de Sistemas Térmicos (LabCET) e colegas de Florianópolis, minha cidade natal, com quem tive mais contato no breve período que estive presente. Também a todos os amigos, que embora não estejam aqui citados, contribuíram e torceram pela realização deste trabalho. Aos professores que me encorajaram a despertar o espírito de cientista e de pesquisador, com quem tive o privilégio de aprender muito durante as disciplinas e defesas que presenciei, e que são motivo de exemplo de conduta cientifica e de orgulho.
Finalmente, agradeço o apoio dos meus familiares, que sempre me encorajaram a seguir meu próprio caminho, em especial aos meus dois amores incondicionais, Marina e Valentina, que me deram todo o suporte do mundo e também compreenderam meus momentos de ausência. As duas sou eternamente grato; elas são a razão de minhas aspirações mais humanas e que me roubam sorrisos.
ciência. Aquele para quem essa sensação é um estranho, aquele que não mais consegue parar para admirar e extasiar-se em veneração, é como se estivesse morto: seus olhos estão fechados. Albert Einstein
recuperação energética de resíduos sólidos urbanos ainda não foram viabilizadas no Brasil, este trabalho tem como objetivo a proposição e análise termoeconômica de sistema híbrido de geração termoelétrica, explorando aspectos da viabilidade dessas tecnologias em um arranjo integrado e inovador. A metodologia de análise foi implementada no software de simulação Ebsilon Professional®, sendo o principal requisito a produção máxima de energia elétrica em base anual, a partir da operação em carga base. Restrita ao aporte de recurso solarimétrico para múltiplo solar – MS < 1, no qual não há o superdimensionamento do campo solar (SF), e a disponibilidade de resíduos sólidos urbanos é de 115.000 t/ano, aplicado ao estudo de caso da cidade de Petrolina/ Pernambuco. O sistema híbrido consiste de uma planta de energia solar concentrada com tecnologia de coletores de calhas parabólicas – Parabolic Trough Collector (PTC) com geração de vapor saturado de maneira indireta, sistema de conversão energética de resíduos composto de gaseificação de combustível derivado de resíduos e turbina a gás para conversão do biogás, sistema de recuperação de calor e queima suplementar e geração de vapor superaquecido e bloco de potência que compreende turbina a vapor, condensador, bombas, trocadores de calor e auxiliares, perfazendo um sistema híbrido de geração termoelétrica com uma potência bruta total de 14,3 MW. A partir da simulação anual do sistema híbrido foram obtidos como resultados uma geração anual de energia elétrica de 114.608 MWh/ano, uma fração solar anual de 11%, fator de capacidade de 91,5% e eficiência energética do sistema híbrido de 43%. A análise técnica foi complementada pela análise econômica por meio dos indicadores econômicos: valor presente líquido (VPL), taxa interna de retorno (TIR), payback e custo nivelado de energia elétrica (LCOE). Por fim foi realizada uma análise de sensibilidade para diferentes múltiplos solares avaliando impacto na fração solar e realizada uma comparação do projeto híbrido proposto com as tecnologias utilizadas de maneira não integrada. Sistemas híbridos, conforme o proposto neste trabalho, podem ser uma alternativa importante no endereçamento das externalidades do gerenciamento atual de resíduos sólidos urbanos no contexto de políticas públicas e iniciativas para a sustentabilidade das cidades, mas também acessar áreas cujo recurso solarimétrico seja moderado. Adiciona-se também que o conceito híbrido poder ser replicado em diferentes localidades, inclusive contemplando a hibridização com outras fontes de energia,
Palavras-chave: Energia solar concentrada. Resíduos sólidos urbanos. Biogás. Geração termoelétrica. Sistemas híbridos de geração de energia.
technologies have not yet been feasible in Brazil, this work has the purpose of proposing and thermo-economical analysis of a hybrid thermoelectric generation system, exploring feasibility aspects of these technologies in an innovative integrated arrangement. The energetic analysis methodology was implemented in Ebsilon Professional® simulation software, the main requirement being the annual electric power production, based on base load operation, restricted to the contribution of solarimetric resource to solar multiple <1, where there is no oversizing of the solar field, and availability of urban solid waste is 115,000 t/year, applied to Petrolina/Pernambuco the case study. The hybrid system consists of a concentrated solar energy plant with parabolic trough collector (PTC) technology with indirectly saturated steam generation, waste energy conversion system consisting of refused derived fuel gasification and gas turbine for biogas conversion, heat recovery steam generation with duct burner and power block comprising steam turbine, condenser, pumps, heat exchangers and auxiliaries, making up a hybrid thermoelectric generation system with a total gross power of 14,3 MW. An annual electricity generation of 114,608 MWh/year, an annual solar fraction of 11%, a capacity factor of 91.5% and the energy efficiency of the hybrid system of 43% were obtained as a result of the annual simulation of the hybrid system. The technical analysis was complemented by economic analysis through the economic indicators: net present value – NPV, internal rate of return – IRR, payback and levelized cost of electricity – LCOE. Finally, a sensitivity analysis was performed for different solar multiples evaluating impact in the solar fraction and a comparison of the proposed hybrid project with the technologies used but in an unintegrated way was carried out. Hybrid systems as proposed in this work can be an important alternative in addressing the externalities of the current management system of urban solid waste in the context of public policies and initiatives for the sustainability of cities, but also to access areas with moderate solarimetric resources. It is also added that the hybrid concept can be replicated in different locations, including hybridization with other energy sources, notably agroindustrial residues, energy biomass, and of course natural gas, the transition fuel for the low carbon economy. Keywords: Concentrated solar energy. Urban solid waste. Biogas. Thermoelectric generation. Hybrid power generation systems.
Figura 2.2: Matriz elétrica brasileira ...38
Figura 2.3: Tratamento e destinação final de resíduos sólidos urbanos na União Europeia em 2016 ...42
Figura 2.4: Rotas de tratamento termoquímico: processos, produtos intermediários e equipamentos de conversão/recuperação ...47
Figura 2.5: Processo de biodigestão anaeróbia de resíduos sólidos em aterros sanitários ...54
Figura 2.6: Breve Histórico Energia Solar Concentrada – Forno Solar de Lavoisier ...60
Figura 2.7: Breve Histórico Energia Solar Concentrada – Impressora a vapor de Auguste Mouchout...61
Figura 2.8: Breve Histórico Energia Solar Concentrada – Sistema de irrigação de Shuman ...61
Figura 2.9: Breve Histórico Energia Solar Concentrada – Sistema Solar de Concentração Fresnel de Giovanni Francia ...62
Figura 2.10: Breve Histórico Energia Solar Concentrada – Receptor Central de Giovanni Francia ...62
Figura 2.11: Estações radiométricas e anemométricas da Rede Sonda ...65
Figura 2.12: ®SolarGIS, mapa de radiação global horizontal ...68
Figura 2.13: ®SolarGIS, mapa de radiação normal direta ...69
Figura 2.14: Tecnologias CSP: cilíndrico parabólico (PTC – Parabolic Trought Collector), linear Fresnel (LFC – Linear Fresnel Collector) e de concentração pontuais, disco parabólico (PDC – Parabolic Dish Collector), e torre receptor central (CRS – Central Receiver System) ...70
Figura 2.15: Configuração CSP PTC com óleo térmico como fluido de transferência e sistema secundário de transferência de calor[43] ...73
Figura 2.16: Configuração CSP PTC com sais fundidos como fluido de transferência, sistema de armazenamento térmico e sistema secundário de transferência de calor ...74
Figura 2.17: Configuração CSP PTC com geração direta de vapor ...75
Figura 2.18: Capacidade instalada acumulada em MW[100], [117] ...77
Figura 2.19: Status de Projetos CSP ...78
Figura 3.1: Projeto de Referência ...89
Figura 3.2: Esquema simplificado do Sistema de Gerenciamento de Resíduos para obtenção do CDR, FORSU e recicláveis ...103
Figura 3.3: Subsistema solar ...106
Figura 3.4: Irradiância de projeto...107
Figura 3.5: Fator para a correção do ângulo de incidência ...114
Figura 3.6: Perdas térmicas ( ) coletor EuroTrough ET150 ...116
Figura 3.7: Limites operacionais campo solar ...117
Figura 3.8: Curva de desempenho turbina a gás OPRA OP-3A, potência elétrica e eficiência elétrica em função da temperatura ambiente ...124
Figura 3.9: Curva de desempenho turbina a gás OPRA OP-3A, vazão de gases exaustos e temperatura dos gases exaustos em função da temperatura ambiente
... 125
Figura 3.10: Turbina a gás ... 126
Figura 3.11: Configuração caldeira recuperadora ... 127
Figura 3.12: Bloco de potência ... 130
Figura 3.13: Eficiência isentrópica da turbina a vapor em condições off-design ... 132
Figura 3.14: Eficiência do gerador elétrico em condições off-design ... 134
Figura 3.15: Procedimento de avaliação termoeconômica ... 138
Figura 4.1: Sistema de gerenciamento de resíduos proposto ... 142
Figura 4.2: Evolução da implementação do sistema de gerenciamento de resíduos ... 143
Figura 4.3: Evolução do crescimento populacional e da geração per capita de resíduos para a cidade de Petrolina ... 144
Figura 4.4: Evolução da produção de RSU, CDR, FORSU e recuperação de vidro e metal, para a cidade de Petrolina ... 145
Figura 4.5: Balanço de massa do sistema de gerenciamento de resíduos – produção diária ... 146
Figura 4.6: Poder calorífico inferior e energia média disponível do CDR... 147
Figura 4.7: Relação C/O e C/H da melhoria da qualidade do CDR ao longo do período de operação do sistema de gerenciamento de resíduos ... 148
Figura 4.8: Curva de produção de biogás em função do ano de operação do sistema de gerenciamento de resíduos ... 149
Figura 4.9: Arquitetura de controle – modo incremento do fator de capacidade. ... 151
Figura 4.10: Resultados mensais das parcelas de energia térmica do sistema solar , , , ... 153
Figura 4.11: Resultados mensais das parcelas de energia térmica do sistema solar , ... 154
Figura 4.12: Parâmetros técnicos de rendimento do sistema solar ao longo do ano , e ... 156
Figura 4.13: Resultados mensais das parcelas de energia térmica oriunda dos resíduos. ... 159
Figura 4.14: Nível de armazenamento de CDR e biogás ao longo do ano... 161
Figura 4.15: Produção de energia elétrica líquida e consumo com auxiliares (MWh/mês) ... 163
Figura 4.16: Fração solar - e fração de hibridização do sistema híbrido – projeto de referência ... 165
Figura 4.17: Eficiência energética do campo solar ... 166
Figura 4.18: Eficiência energética do ciclo Brayton – turbina a gás. ... 166
Figura 4.19: Eficiência energética do sistema de recuperação de calor e geração de vapor – HRSG... 167
Figura 4.20: Rendimento bruto do bloco de potência ... 168
Figura 4.24: Transferência de calor na caldeira recuperadora e geradora de vapor na condição design ...176 Figura 4.25: Transferência de calor na caldeira recuperadora e geradora de vapor na condição off-design. ...177 Figura 4.26: Condensador a ar – transferência de calor ...178 Figura 4.27: Diagrama de Sankey – Sistema hibrido design ...180 Figura 4.28: Eficiência energética e fator de capacidade – comparação com plantas não híbridas, considerando mesmas condições de recurso solarimétrico e disponibilidade resíduos ...183 Figura 4.29: Produção anual de energia (MWh/ano) – comparação com plantas não híbridas, considerando mesmas condições de recurso solarimétrico e disponibilidade resíduos ...183 Figura 4.30: LCOE (US$/MWh) – comparação com plantas não híbridas, considerando mesmas condições de recurso solarimétrico e disponibilidade resíduos ...184 Figura 4.31: Análise da área do campo solar para as configurações CSP, CSP TES 8h e sistema híbrido ...185 Figura 4.32: Análise do incremento da fração solar em função do múltiplo solar e efeito de solar dumping...186 Figura 4.33: Solar dumping em função do múltiplo solar ...186 Figura 4.34: Análise de sensibilidade da geração de energia elétrica específica, área de coletores em função da fração solar...188 Figura 4.35: Análise de sensibilidade do LCOE em função da fração solar ....189 Figura 4.36: Análise de sensibilidade do LCOE em função da fração solar e comparativo com outras configurações...189
Tabela 2.2: Composição Gravimétrica média do RSU no Brasil ... 44
Tabela 2.3: Poder calorífico inferior – PCI (MJ/kg) de energéticos ... 45
Tabela 2.4: Características do biogás de aterro sanitário e comparativo com biogás de biodigestor e gás natural ... 52
Tabela 2.5: Vantagens e desvantagens Motor Stirling ... 58
Tabela 2.6: Radiação solar, sistemas de medição de suas componentes ... 64
Tabela 2.7: Estações radiométricas e anemométricas da Rede Sonda ... 66
Tabela 2.8: Características técnicas e tecnologias CSP ... 71
Tabela 2.9: Capacidade Instalada por país em MW... 78
Tabela 2.10: Projetos CSP híbridos ... 80
Tabela 3.1: Dados geográficos e meteorológicos de Petrolina/PE ... 90
Tabela 3.2: Parâmetros nominais do sistema híbrido ... 91
Tabela 3.3: Classificação dos componentes do resíduo sólido urbano ... 93
Tabela 3.4: Análise gravimétrica município de Petrolina e comparativo Brasil 94 Tabela 3.5: Análise elementar e imediata para algumas frações gravimétricas do RSU ... 95
Tabela 3.6: Eficiência de coleta de biogás em aterros sanitários ... 99
Tabela 3.7: Estimativa da coleta de resíduos em relação à população ... 102
Tabela 3.8: Principais características coletor solar EuroTrough ET150 ... 108
Tabela 3.9: Dados de desempenho turbina a gás OPRA OP-3A (gás natural). 124 Tabela 3.10: Parâmetros nominais da câmara de combustão ... 129
Tabela 3.11: Parâmetros nominas da turbina a vapor ... 133
Tabela 4.1: Resultados da gaseificação de CDR ... 171
Tabela 4.2: Parâmetros nominais da HRSG ... 175
AAC Atmospheric air cycles
ABiogas Associação Brasileira do Biogás e do
Biometano
Abrelpe Associação Brasileira de Empresas de
Limpeza Pública e Resíduos Especiais
ACC Air Cooling Condenser
ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica
ASTM American Society for Testing and
Materials
BIG Banco de Informações de Geração
BMP Biochemical methane potential
BOP Balance of Plant
BSRN Baseline Surface Radiation Network
CAPEX Capital Expenditure
CDR Combustível Derivado de Resíduos
CEPEL Centro de Pesquisas de Energia Elétrica
CPV Concentrating Photovoltaic
CFD CSP
Computed Fluid Dinamics Concentrating Solar Power
CST Concentrating Solar Thermal
CRS Central Receiver System
DNI Direct Normal Irradiance
DLR Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt
DSG Direct Steam Generation
DTT Diferença de Temperatura Terminal
GNC Gás Natural Comprimido
GEBA Global Energy Balance Archive Data
EU European Union
FH Fator de Hibridização
FAFSS Fermentação anaeróbia em fase
semissólida
FINEP Financiadora de Estudos e Projetos
FiT Feed-in tariff
FORSU Fração Orgânica dos Resíduos Sólidos
Urbanos
GN Gás natural
GEE Gases de Efeito Estufa
IFSC Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina
INPE Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais
IPCC Intergovernamental Panel on Climate
Change
ISCC Integrated Solar Combined Cycle
Labsolar Laboratório de Energia Solar
LCOE Levelized Cost of Electricity
LCOH Levelized Cost of Heat
LFC Linear Fresnel Collector
MCI Motor de combustão interna
NREL National Renewable Energy Laboratory
O&M Operação e Manutenção
OPEX Operational Expenditure
PCI Poder calorífico inferior
PCS Poder calorífico superior
PDC Parabolic Dish Collector
PETROBRAS Petróleo Brasileiro S/A
PIB Produto Interno Bruto
PNRS Política Nacional de Resíduos Sólidos
PTC Parabolic Trought Collector
RSU Resíduo Sólido Urbano
SCA Solar collector assembly
SCE Solar collector element
SIN Sistema Interligado Nacional
SF Campo Solar
SISNAMA Sistema Nacional de Meio Ambiente
SNVS Sistema Nacional de Vigilância Sanitária
SONDA Sistema de Organização Nacional de
Dados Ambientais
SUASA Sistema Unificado de Atenção à Sanidade
Agropecuária
TES Thermal Energy Storage
TEP Toneladas Equivalentes de Petróleo
TIR Taxa Interna de Retorno
TMA Taxa Mínima de Atratividade
TMY Typical Meteorological Year
UTFPR Universidade Tecnológica Federal do Paraná
VOC Volatile Organic Compounds
VPL
WtE Valor Presente Líquido Waste to Energy
WMO World Meteorological Organization
~ Aproximadamente
Btu British Thermal Unit
G Constante solar = 1367 (W/m²)
GWh Gigawatt-hora
kcal/kg Quilocaloria/quilograma
kg Quilograma
kgSV Quilo grama sólidos voláteis
kW Quilowatt
L/KgSV Litro/quilo grama sólidos voláteis
mg/m3 Miligrama/metro cúbico
mg/Nm3 Miligrama/normal metro cúbico
MJ/kg Megajoule/ quilograma
MJ/Nm3 Megajoule /normal metro cúbico
MMBtu Milhões de British Thermal Unit
mol Quantidade de matéria molar
MW Mega Watt
MWth Megawatt térmico
MWel Megawatt elétrico
MWh Megawatt-hora
Nm³/t Normal metro cúbico/tonelada
ppm Partes por milhão
rpm Rotações por minuto
tpa Toneladas por ano
W/m² Watt/metro quadrado WtE Waste-to-Energy Substâncias Químicas NOx Óxidos nitrosos CO Monóxido de Carbono CH4 Metano H2 Hidrogênio molecular N2 Nitrogênio molecular He Hélio molecular C Carbono elementar H Hidrogênio elementar N Nitrogênio elementar S Enxofre elementar
CF Teor de carbono fixo percentagem mássica
w Umidade (%)
Cz Cinzas (%)
Teor de carbono orgânico percentagem mássica
(%)
Teor de Enxofre percentagem mássica (%)
Teor de carbono inorgânico percentagem mássica
(%)
Teor de Nitrogênio percentagem mássica (%)
MV Material volátil (%) CF Carbono fixo Cz Cinzas w Teor de umidade Nomenclatura Radiação direta Radiação difusa Radiação refletida Radiação global Fator de albedo
h Subíndice indicando plano
horizontal
t Subíndice indicando plano
inclinado
n Subíndice indicando plano
normal
Razão de concentração óptica Razão de concentração geométrica
Radiação incidente na superfície
do receptor
A irradiação incidente
Eficiência óptica do coletor
Eficiência rendimento do receptor/absorvedor Eficiência do sistema de armazenamento térmico Eficiência do sistema de transferência do fluido de
posteriormente em energia elétrica
Eficiência óptica do coletor com ângulo de incidência em relação ao zênite de 0°
Espaçamento entre linhas de coletores
Largura do coletor
Fator para correção das perdas das extremidades
Fatores multiplicativos de perdas Fatores multiplicativos de ganhos
Distância focal
Distância entre coletores em série
Comprimento do coletor Fator para correção por perdas devida a incidência de vento Fator para correção de perdas por sujeira do coletor
Ângulo formado entre plano inclinado sobre superfície horizontal, tangente à superfície terrestre
Latitude geográfica da localidade Ângulo compreendido entre a reta que liga o sol ao centro da terra e o plano do equador Ângulo de zênite
Ângulo de altitude solar Ângulo de azimute solar Ângulo de azimute do coletor Ângulo longitudinal
Ângulo de incidência longitudinal
Poder calorífico superior em base
seca
Poder calorífico superior em base
úmida
Teor de carbono orgânico
Eficiência de coleta
Teor de metano fugitivo
Fator adimensional de
normalização
Taxa constante de decaimento
(1/ano)
( ) Fluxo de resíduos sólidos
urbanos no ano x (t/ano)
Giga gramas de resíduos sólidos
urbanos gerados do ano
( ) Potencial de geração de metano
(Nm³/trsu)
Giga grama de metano/giga
grama de RSU Ano do inventário Metano recuperado Vazão de metano Fluxo de resíduos Incremento de tempo Ano atual Temperatura ambiente Umidade
Velocidade e direção do vento
Radiação direta normal máxima
Múltiplo solar
̇ Potência térmica produzida no
campo solar nas condições de design
̇ Potência térmica requerida pelo
bloco de potência para operar em condições nominais
Fração solar
Potência térmica produzida no
fluido na forma de calor
̇ Vazão mássica do fluido
h Entalpia (kJ/kg)
Entalpia do fluido no ponto de entrada
Entalpia do fluido no pontos de saída
Alíquida Área líquida coletores
ηbomba Eficiência isentrópica nominal da
bomba
Radiação normal direta (W/m²) Perdas térmicas
Perdas na tubulação
Coeficiente de transferência por convecção
Perdas de pressão
Fração mássica do componente Energia livre de Gibbs (kJ/kmol) Energia livre de Gibbs na condição de referência
R Constante de gases
Temperatura absoluta (K) Pressão da reação
Fração mássica do componente
G Gerador elétrico ( )
̇ Massa de vapor na entrada da
turbina
̇ Massa de vapor induzida na
turbina
̇ A massa de vapor extraída da
turbina
̇ Massa de vapor na saída da
turbina
n Número de estágios da turbina
Entalpia do vapor na entrada da turbina
Entalpia do vapor induzido na
turbina
Entalpia do vapor extraído da
turbina
Entalpia do vapor na saída da
turbina
Eficiência mecânica da turbina
Perdas mecânicas (calor na
exaustão, por exemplo)
Eficiência isentrópica da turbina
Entalpia isentrópica
correspondente
Volume específico do vapor na
entrada da turbina
̇ Potência elétrica do gerador
Fator de potência
̇ Potência de acionamento dos
ventiladores
̇ Vazão mássica do ar ( )
Densidade do ar ( )
Eficiência isentrópica do
ventilador
Eficiência do motor elétrico
Efetividade
Pressão na saída
Entalpia do líquido condensado
Entalpia do ar na saída do
condensador
Entalpia do ar nas condições
ambientes
Coeficiente de Transferência de
calor
Pela área de troca térmica
Custo do equipamento na escala
desejada
Custo de referência do
equipamento
Parâmetro técnico de escala
1.1 Motivação ... 28 1.2 Apresentação do problema ... 29 1.3 Objetivos ... 34 1.3.1 Objetivo geral... 34 1.3.2 Objetivo específico ... 34 1.4 Estrutura do trabalho ... 35 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 37 2.1 Matriz elétrica mundial e brasileira ... 37 2.2 Resíduos sólidos urbanos ... 39 2.2.1 Breve histórico ... 39 2.2.2 Recurso energético do resíduo sólido urbano ... 43 2.2.3 Conversão energética de resíduo sólido urbano ... 46 2.3 Biogás de resíduo sólido urbano ... 51 2.3.1 Breve histórico ... 51 2.3.2 Recurso energético do biogás ... 51 2.3.3 Tecnologias de conversão do biogás ... 56 2.4 Energia solar térmica ... 59 2.4.1 Breve histórico ... 59 2.4.2 Recurso solar ... 63 2.4.3 Tecnologia CSP ... 69 2.4.4 Ciclos termodinâmicos de conversão ... 75 2.4.5 Projetos no mundo ... 77 2.5 Sistemas híbridos e integração energética ... 79 3 METODOLOGIA ... 85 3.1 Premissas ... 85 3.2 Critérios de projeto ... 88 3.3 Projeto de referência ... 88 3.4 Determinação do potencial energético de resíduos ... 92 3.4.1 Análise gravimétrica ... 92 3.4.2 Análise elementar e Imediata ... 94 3.4.3 Estimativa do poder calorífico ... 95 3.4.4 Produção de biogás – modelagem ... 98 3.4.5 Subsistema de gerenciamento de resíduos ...101 3.4.6 Sistema de armazenamento de CDR e Biogás ...103 3.5 Modelagem do campo solar ...104 3.5.1 Determinação do potencial solarimétrico...105 3.5.2 Subsistema solar...105
3.5.6 Coletores PTC e dimensionamento ... 108 3.5.7 Bomba de circulação de fluido térmico ... 117 3.5.8 Trocadores de calor do campo solar ... 118 3.6 Conversão energética de resíduos ... 121 3.6.1 Gaseificação de resíduos sólidos urbanos ... 122 3.6.2 Turbina a gás ... 123 3.7 Recuperação de calor ... 126 3.7.1 Caldeira de recuperação ... 127 3.8 Bloco de potência ... 129 3.8.1 Turbina a vapor e gerador elétrico ... 130 3.8.2 Condensador ... 134 3.8.3 Pré-aquecedores e desaerador ... 136 3.9 Modelagem econômica ... 137 3.9.1 Indicadores econômicos ... 138 3.9.2 Indicador termoeconômico ... 140 4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 141 4.1 Sistema de gerenciamento de resíduos e especificação de combustíveis ... 141 4.2 Desempenho energético ... 150 4.2.1 Contribuição solar ... 152 4.2.2 Contribuição resíduos ... 157 4.2.3 Produção anual de energia ... 162 4.2.4 Eficiência energética ... 166 4.2.5 Análise de equipamentos ... 169 4.3 Análise econômica ... 181 4.4 Comparação com outros sistemas usuais de geração termoelétrica ... 182 4.5 Análise de sensibilidade ... 185
5 CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA TRABALHOS
FUTUROS ... 191 5.1 Conclusões ... 191 5.2 Sugestões para trabalhos futuros ... 194 REFERÊNCIAS ... 195 APÊNDICE A – Classificação CDR e principais características ... 213 APÊNDICE B – Radiação normal direta, Rede Sonda INPE PTR (Petrolina) do ano de 2015 ... 214 APÊNDICE C – Temperatura média, rede sonda INPE PTR (Petrolina) do ano de 2015 ... 215
do ano de 2015 ...217 APÊNDICE F – Diagrama solar Petrolina (PVSYST 6.67) ...218 APÊNDICE G – Água Prieta II, concentrating solar power projects NREL/SOLARPACES (Google Earth PRO) ...219 APÊNDICE H – Archimede, Concentrating Solar Power Projects NREL/SOLARPACES (Google Earth Pro) ...220 APÊNDICE I – Borges Termosolar, Concentrating Solar Power Projects NREL/SOLARPACES (Google Earth Pro) ...221 APÊNDICE J – City of Medicine Hat Iscc Project, Concentrating Solar Power Projects NREL/SOLARPACES (Google Earth Pro) ...222 APÊNDICE L – Iscc Ain Beni Mathar, Concentrating Solar Power Projects NREL/SOLARPACES (Google Earth Pro) ...223 APÊNDICE M – ISCC Hassi R’mel, Concentrating Solar Power Projects NREL/SOLARPACES (Google Earth Pro) ...224 APÊNDICE N – ISCC Kuraymat, Concentrating Solar Power Projects NREL/SOLARPACES (Google Earth Pro) ...225 APÊNDICE O – Kogan Creek Solar Boost, Concentrating Solar Power Projects NREL/SOLARPACES (Google Earth Pro) ...226 APÊNDICE P – La Florida, Concentrating Solar Power Projects NREL/SOLARPACES (Google Earth Pro) ...227 APÊNDICE Q – La Risca, Concentrating Solar Power Projects
NREL/SOLARPACES (Google Earth Pro) ...228 APÊNDICE R – Liddell Power Station, Concentrating Solar Power Projects NREL/SOLARPACES (Google Earth Pro) ...229 APÊNDICE S – Fluxograma Processo ...230
1 INTRODUÇÃO
A exploração dos recursos naturais para a produção de bens de consumo e o atendimento à demanda ocasionada pelo crescimento populacional e pelas mudanças nos padrões de consumo da sociedade estão associadas às inúmeras externalidades. Entre os setores produtivos e de consumo, o setor de energia e a população das cidades, respectivamente, assumem um papel preponderante na transição para o desenvolvimento sustentável.
O aumento do consumo de matérias-primas, a complexidade dos processos de beneficiamento e a obtenção dos produtos de consumo estão correlacionados com o incremento do consumo de energia, que no cenário energético atual, implica na emissão de poluentes na atmosfera e na geração de resíduos, cuja proporção e diversidade requerem um sistema de gerenciamento bem como o desenvolvimento de políticas públicas e ações no intuito de minimizar o impacto das atividades humanas.
A matriz energética mundial é fortemente baseada em fontes fósseis, o que é um entrave ao desenvolvimento sustentável. Assim, o objetivo de alcançar uma economia verde, com baixa intensidade de carbono, uso racional dos recursos naturais e inclusão social é inviável considerando-se a atual estrutura mundial de consumo energético (SCHAEFFER et al., 2013).
As opções para diminuir a dependência do sistema energético mundial por combustíveis fósseis devem necessariamente passar por um maior uso de fontes energéticas renováveis e por um uso mais eficiente da energia (EIA BIOENERGY, 2015; ERSAHIN et al., 2011).
A inserção de novas tecnologias, baseadas em fontes alternativas e renováveis, para a geração de energia elétrica representa uma opção real e sustentável para a otimização do consumo de recursos naturais e redução do impacto ambiental, além de uma alternativa econômica com ganhos também sociais. Não obstante, elas vêm ganhando espaço, e cada vez se mostram mais competitivas (SOLAR PACES, 2009).
Inúmeros fatos apontam para essa transição energética, na qual formas inovadoras e sustentáveis de atender a demanda de energia estão acelerando o paradigma da transição para uma economia de baixo carbono.
A adição da capacidade instalada de energias renováveis em 2016 alcançou 2.017GW, representando um incremento de 9% em relação a 2015, sendo que as fontes renováveis foram responsáveis por 61% da capacidade instalada de energia elétrica, considerando também as fontes
fósseis. Contabilizaram um investimento da ordem de 241,6 bilhões de US$. As fontes renováveis sofreram uma redução expressiva de custos, em especial a energia fotovoltaica e energia eólica. Entre 2010 e 2016 houve uma redução do custo da energia solar fotovoltaica em 65% representando 67% da redução do Levelized Cost of Electricity (LCOE), entre os projetos encomendados em 2016, o LCOE médio de 0,12 USD/kWh, e uma faixa de custos entre 0,05 USD/kWh e 0,35 por kWh. A energia eólica onshore, de 1983 a 2016, teve uma redução do LCOE de 15% para cada duplicação da capacidade instalada. No período de 2010 a 2016 o LCOE médio foi de 0,07 US$/kWh. Nesse período, o custo ponderado médio de instalação reduziu em mais de dois terços, de 4.880 USD/kW, em 1983, para 1.457 US$/kW, em 2016. Todos esses resultados foram motivados pela economia de escala, melhoria nos processos de fabricação e aos avanços tecnológicos, que permitiram também elevar o fator de capacidade médio de 20%, em 1983, para 29%, em 2016. Os custos da tecnologia Concentrating Solar Power (CSP) permanecem superiores aos de outras fontes renováveis, mas apresentam boas oportunidades de redução de custos além da projeção de queda de custos já em andamento. Estima-se que o LCOE média ponderada das plantas CSP caiu 18%, de 2010 a 2016, com um LCOE de 0,27 US$/kWh para as plantas encomendadas em 2016. Quanto às demais fontes renováveis de tecnologias maduras (bio-energia, geotérmica e hidrelétrica) os custos se mantiveram estáveis, sendo o custo médio de hidrelétricas de 1.755 US$/kW e 0,05 US$/kWh (RAO; SINGH, 2004).
1.1 Motivação
Apesar do crescimento na participação descrito, as fontes renováveis representam apenas 24,5% na produção global de energia elétrica (REN21, 2017). Entre os fatores técnicos que mais contribuem e limitam a inserção das fontes renováveis está a baixa despachabilidade, ou seja, o caráter intermitente de geração, capacidade restrita de atender à demanda que, portanto, afeta a confiabilidade do suprimento de energia.
Uma das tecnologias mais promissoras para a integração a sistemas com características de despachabilidade e que aufeririam ao sistema elétrico maior confiabilidade é a tecnologia CSP.
Para o caso brasileiro, reconhecidamente a região semiárida do Nordeste, cuja radiação direta cumulativa anual atinge 2,2 MWh/m²/ano, com radiação média diária acima de 5,0 kWh/m²/dia, associadas às
condições topográficas e de infraestrutura, como acesso à rede de transmissão e distribuição de energia, acesso à rede viária conferem vantagens para essa localidade. Contudo, explorar regiões cujos níveis de radiação solar são mais modestos, avaliando diferentes concepções de projetos é um desafio para a expansão da tecnologia pelo território nacional.
Outra tecnologia que vem experimentando uma expansão é a possibilidade de utilizar os resíduos sólidos urbanos (RSUs) por meio da sua componente biogás e da fração sólida para a recuperação energética. Tecnologias ainda pouco conhecidas e pouco exploradas para as condições brasileiras.
1.2 Apresentação do problema
Avaliando o contexto apresentado, associado à realidade brasileira, além da energia solar concentrada, cujo potencial técnico identificado de 597 GW (BURGI, 2013), outras duas fontes energéticas vêm ganhando notoriedade: o biogás e a recuperação energética de RSU.
O biogás e o biometano são combustíveis renováveis, produzidos a partir da decomposição biológica, em condição anaeróbia, de materiais orgânicos, como resíduos e efluentes orgânicos e outras fontes de biomassa com grande potencial econômico, ambiental e social e com características energéticas. Que podem contribuir, em muito, para a sustentabilidade e a eficiência energética de importantes setores econômicos que os podem produzir, entre os quais destacam-se o setor sucroenergético, o da produção de alimentos e o setor de saneamento ambiental (ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DO BIOGÁS E DO BIOMETANO, 2015).
As principais potencialidades para o biogás como fonte energética no Brasil estão inseridas no contexto de disponibilidade em larga escala de biomassa e resíduos orgânicos, nas externalidades ambientais positivas e na produção de energia elétrica distribuída de base e flexível com essa fonte.
Estimativas do potencial de produção de biogás de 23 bilhões de m³/ano, sendo 12 bilhões a partir da indústria da cana-de-açúcar, 8 bilhões da indústria de alimentos e 3 bilhões de resíduos. Esse montante corresponde a aproximadamente 11 milhões de toneladas equivalentes de petróleo (TEP) ao ano, ou 12 bilhões de litros equivalente de diesel ou ainda 78 milhões de Nm³/dia de biometano (ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DO BIOGÁS E DO BIOMETANO, 2015).
Considerando o atual modelo de disposição dos RSUs em aterros, o biogás produzido é oriundo da decomposição anaeróbia da fração orgânica presente no RSU bruto. Estima-se que o potencial de geração de biogás pode chegar a 300-400 Nm³ por tonelada de RSU depositado (ALVES, 2008). O setor de saneamento ambiental, em especial associado ao RSU, face à sua potencialidade e externalidades, tem um papel central na avaliação de oportunidades associadas ao aproveitamento energético.
Os RSUs englobam os resíduos domiciliares, aqueles originários de atividades domésticas em residências urbanas e os resíduos de limpeza urbana, os quais são originários da varrição, limpeza de logradouros e vias públicas bem como de outros serviços de limpeza urbana. Além dessa definição, a Lei Federal n. 12.305/2010 que instituiu a Política Nacional de Resíduos Sólidos (PNRS), no artigo 3º apresenta as seguintes definições:
VII - destinação final ambientalmente adequada: destinação de resíduos que inclui a reutilização, a reciclagem, a compostagem, a recuperação e o aproveitamento energético ou outras destinações admitidas pelos órgãos competentes do Sisnama, do SNVS e do Suasa, entre elas a disposição final, observando normas operacionais específicas de modo a evitar danos ou riscos à saúde pública e à segurança e a minimizar os impactos ambientais adversos;
VIII - disposição final ambientalmente adequada: distribuição ordenada de rejeitos em aterros, observando normas operacionais específicas de modo a evitar danos ou riscos à saúde pública e à segurança e a minimizar os impactos ambientais adversos;
XV - rejeitos: resíduos sólidos que, depois de esgotadas todas as possibilidades de tratamento e recuperação por processos tecnológicos disponíveis e economicamente viáveis, não apresentem outra possibilidade que não a disposição final ambientalmente adequada; XVI - resíduos sólidos: material, substância, objeto ou bem descartado resultante de atividades humanas em sociedade, a cuja destinação final se procede, se propõe proceder ou se está obrigado a proceder, nos estados sólido ou semissólido, bem
como gases contidos em recipientes e líquidos cujas particularidades tornem inviável o seu lançamento na rede pública de esgotos ou em corpos d’água, ou exijam para isso soluções técnicas ou economicamente inviáveis em face da melhor tecnologia disponível. (BRASIL, 2010).
Ainda no artigo 9º, da PNRS, é estabelecido que, na gestão e gerenciamento de resíduos sólidos, deve ser observada a seguinte ordem de prioridade: não geração, redução, reutilização, reciclagem, tratamento dos resíduos sólidos e disposição final ambientalmente adequada dos rejeitos.
Assim, atendendo aos artigos 3º e 9º da PNRS, além da garantir a maior reintegração dos resíduos no sistema produtivo (3 Rs – reduzir, reutilizar e reciclar), é prevista e recomendada a recuperação energética, sempre observada a viabilidade técnico-econômica.
Enquanto a geração de RSU, no País, aumentou 1,7% de 2014 a 2015, período em que a população brasileira cresceu 0,8% e a atividade econômica – Produto Interno Bruto (PIB) – retraiu 3,8%, alcançando 79,9 milhões de toneladas de RSU por ano. Desse montante, 90,8% é coletado. Quanto à destinação final, 58,7% do resíduo coletado é enviado para aterros sanitários e o restante, aproximadamente 30 milhões de toneladas, é disposto em lixões ou aterros controlados, prática de disposição inadequada, realidade de 3.326 municípios brasileiros. A geração de RSU per capita foi de 1,07 kg/habitante/dia, totalizando 218.874 toneladas/dia. Os recursos aplicados pelos municípios em 2015 para fazer frente a todos os serviços de limpeza urbana no Brasil foram, em média, 10,15 R$/habitante/mês (ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE EMPRESAS DE LIMPEZA, 2015). Atualmente, a maneira mais econômica de aproveitamento energético do RSU, é por meio do biogás de aterro sanitário (landfill gas), modelo que vem sendo empregado por algumas empresas de gestão de resíduos sólidos no Brasil. Segundo dados Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), a produção de energia elétrica a partir do biogás atingiu a marca de 118,6 MW de potência instalada em fevereiro de 2017, saltando de 0,0572% no início de 2016 para os atuais 0,0741% da matriz elétrica brasileira. Representando um aumento de 30%. No total, são 15 usinas operam em aterros a partir de resíduos sólidos urbanos, 11 usinas que operam com de resíduos animais e três usinas a partir de fontes agroindustriais.
Ressalta-se o projeto do Aterro de Caieiras, em São Paulo, que adicionou 29,5 MW de energia ao sistema. Outro destaque, em 2016, foi o da empresa Raízen com a Usina Bom Jardim, de 20,8 MW, o primeiro projeto a ganhar um leilão de energia com a fonte biogás, e comercializar energia dessa fonte no ambiente regulado, ao valor de 251,00 R$/MWh. Outros projetos de geração de energia elétrica a partir do biogás, como Biotérmica Minas do Leão – RS (8,5MW), Termoverde Salvador – BA (20MW), Itajaí Biogás – SC (1 MW) e GEO Elétrica – PR (11,9MW), também contribuíram para o crescimento da fonte no período.
Considerando que, tanto as tecnologias CSP quanto as tecnologias de recuperação energética de RSU para a geração de energia elétrica ainda não foram viabilizadas no Brasil, este trabalho propõe um conceito de planta híbrida, visando à viabilidade técnico-econômica bem como apontar as características de replicação dessa solução para diferentes localidades.
Em 2016, os projetos baseados em tecnologia CSP alcançaram a capacidade instalada de 4.815 MW, enquanto outros 1.260 MW estão em construção e outros 2.709 MW em desenvolvimento. Apesar do expressivo crescimento, o setor ainda vive um momento de curva de aprendizado, comparado com outras tecnologias, como a energia eólica (487 GW) e energia solar fotovoltaica (303GW). Assim a avaliação e a otimização desses sistemas, tanto do ponto de vista técnico como econômico são requeridos para a sua viabilização.
Quanto ao tratamento dos resíduos sólidos, quando é realizada sua recuperação energética, tem-se a definição de uma Unidade de Recuperação Energética (URE) ou ainda WtE.
O aproveitamento energético dos resíduos é tido como alternativa ambientalmente adequada, pois:
a) Oferece solução para a destinação final de resíduos urbanos não recicláveis (IPCC/ONU).
b) Reduz a emissão de gases de efeito estufa (GEE) dos aterros sanitários.
c) Permite a redução de volume dos resíduos dispostos diretamente no solo (aterro sanitário).
d) Utiliza dos resíduos urbanos para recuperação energética, e aproveitamento do recurso imobilizado em aterros sanitários. e) Substitui recursos energéticos, com objetivo de otimização da
f) Oferece solução que pode ser implementada próximo aos centros urbanos, minimizando os custos logísticos com o transporte de resíduos.
Frente ao arcabouço regulatório, a geração de resíduo e seu gerenciamento de maneira sustentável ainda apresentam alguns desafios, sendo os de maior relevância:
a) Aumento na geração de resíduos, relacionado com o crescimento populacional, poder aquisitivo, mudança de hábitos, vida urbana, aumento do consumo de produtos e bens, menor durabilidade e obsolescência tecnológica, incremento de produtos descartáveis.
b) Sistema de gerenciamento de resíduos, coleta seletiva, segregação e reciclagem de resíduos na origem ainda deficiente.
c) Destinação final de resíduos: existência e prática comum de aterros controlados e lixões.
d) Políticas Públicas e destinação de recursos financeiros para alavancar a implementação de boas práticas para o setor, orientadas à sustentabilidade, preservação do meio ambiente e economia cíclica.
Assim ao integrar as fontes primárias de energia disponíveis: biogás, RSU e energia solar, convertendo essas fontes, com a máxima eficiência, seja em energia térmica seja em energia elétrica, ao mesmo tempo, ao menor custo possível, torna-se uma análise complexa, pois o número de possibilidades e combinações de alternativas são inúmeras, das quais além de diferentes tecnologias, envolvem características de desempenho e custos distintos, assim é imprescindível o uso de técnicas de otimização para o suporte ao design ótimo.
Nesse sentido, e na concepção proposta de hibridização de sistemas de geração termoelétrica, precisa apresentar um grau de flexibilidade elevado para contornar as variações do recurso solar ao longo do dia e do ano, modulando a quantidade de combustível auxiliar queimado para manter mais estável possível a quantidade de energia elétrica produzida, objetivando maior geração possível, seja para a operação mais eficiente ou na operação ao menor custo. Conferindo despachabilidade e confiabilidade a essa tecnologia, aumentando assim, sua competitividade em relação às outras fontes renováveis, na inserção na matriz elétrica nacional. Nessa configuração, aspectos de resposta dinâmica, especificação do vapor em diferentes cargas, eficiência em cargas parciais, assim como a definição da estratégia de operação da
planta para ser uma solução de melhor viabilidade também é uma variável de otimização.
1.3 Objetivos 1.3.1 Objetivo geral
A presente dissertação tem como objetivo geral a proposição e a análise de um sistema híbrido de geração de energia elétrica baseado em tecnologia de recuperação energética de resíduos sólidos urbanos e biogás integrada a energia solar de concentração, utilizando uma metodologia de análise termoeconômica, proporcionando aumento de eficiência energética e redução do LCOE.
1.3.2 Objetivo específico
Para o desenvolvimento desta dissertação, foram contempladas as seguintes atividades específicas, que compõem o escopo:
a) Estimativa do potencial energético de RSUs e recurso solarimétrico para a definição de escala de projeto e potencial de replicação.
b) Análise e seleção de tecnologias para aproveitamento energético de RSUs (Combustão – mass burnning, gaseificação, pirólise).
c) Análise de modelos de previsão de produção de biogás em aterros sanitários.
d) Análise e seleção de tecnologias CSP adequado para os níveis e qualidade de irradiação e conceito de hibridização proposto (cilíndrico parabólico e coletor Fresnel).
e) Definição de topologia ótima: circuito hidráulico, avaliação de eficiência ótica e térmica, perdas térmicas, definição de características transientes do sistema solar, definição das características da caldeira recuperadora (ramp-up curve, perfil de carga para diferentes condições operacionais). f) Avaliação de diferentes arranjos e topologias para o sistema
híbrido.
g) Modelagem e balanço de massa e energia do sistema de recuperação energética de RSU, sistema solar térmico, bloco de potência, sistema de recuperação de calor.
h) Definição de critérios técnicos para projeto e dimensionamento de sistemas híbridos e proposição das variáveis de decisão para projetos híbridos.
i) Análise da estratégia de operação do sistema híbrido – monitoramento do recurso solar/weather forecast, status de geração para definição de carga da caldeira.
j) Otimização técnica do sistema híbrido – máxima eficiência. k) Estimativa de custos – Capital Expenditure/Operational
Expenditure (CAPEX/OPEX).
l) Determinação de arranjo ótimo para escala de projetos de pequeno porte, até 15MW.
m) Estimativa da produção anual de energia elétrica, definição do fator de capacidade para duas localidades representativas. n) Avaliação qualitativa dos limites de radiação solar normal
direta para viabilização de projetos híbridos, no conceito de utilização da energia solar para a geração de vapor saturado, no intuito de expandir a utilização da tecnologia CSP para locais de recurso solar mais ameno que as regiões de melhor potencial.
o) Avaliação de diferentes estratégias de operação e perfil de geração em relação à capacidade de processamento e armazenamento de combustível correlacionado a possíveis incrementos da potência nominal para a condição de geração no horário de ponta.
p) Avaliação da possibilidade de armazenamento térmico mínimo, para minimizar over dumping.
q) Comparação dos custos de planta CSP dotada de armazenamento térmico para mesma geração anual de energia em relação aos custos do sistema híbrido proposto. r) Determinação do LCOE do sistema proposto e comparação
com outras fontes energéticas.
s) Análise de sensibilidade das variáveis de decisão. 1.4 Estrutura do trabalho
Pra além desta introdução, o Capítulo 2 apresenta a revisão de literatura, inicialmente contextualizando a problemática dos RSU e do biogás, abordando um breve histórico e dissertando sobre potencial energético e tecnologias de conversão energética. Em seguida, é apresentada a energia solar térmica e são aprofundados os aspectos do recurso solarimétrico, tecnologias, ciclos termodinâmicos, projetos no
mundo, isso é realizado corroborado pela revisão de trabalhos no contexto dessas duas fontes que serão empregadas no desenvolvimento do trabalho. Por fim são apresentadas as principais referências e conceitos de hibridização de sistemas de energia, com foco na energia solar térmica, objetivo de proposição deste trabalho.
No Capítulo 3, são expostos a metodologia de desenvolvimento do trabalho, as premissas, os critérios de projeto e projeto de referência. A metodologia compreende a determinação do potencial energético de resíduos e biogás a partir da análise gravimétrica, posteriormente é apresentada a modelagem energética do sistema solar térmico a partir da modelagem dos componentes e subsistemas, do sistema de conversão energética de resíduos e geração de energia compreendendo os ciclos de potência do arranjo híbrido. Por último, são apresentados a modelagem econômica e os indicadores econômicos e termoeconômicos utilizados na análise de pré-viabilidade econômica.
O Capítulo 4 apresenta os principais resultados de desempenho e caracterização energética do arranjo proposto, ao longo de um ano de operação. São demonstrados ainda os resultados da análise de pré-viabilidade econômica para o arranjo proposto, e por fim uma comparação técnica e econômica desse sistema com outros usuais de geração termoelétrica, também é apresentada uma análise de sensibilidade em relação aos principais parâmetros de desempenho e impacto na viabilidade técnica econômica.
No Capítulo 5, estão as conclusões deste trabalho e sugestões para trabalhos futuros.
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 Matriz elétrica mundial e brasileira
Na geração de energia elétrica no mundo é dominante a participação dos combustíveis fósseis e energia não renovável no ano de 2016, 75,5% de toda a energia elétrica gerada foram oriundas da queima de combustíveis fósseis e da fissão nuclear (Figura 2.1). As fontes renováveis para a geração de energia elétrica contribuem, portanto com 24,5%, sendo que a hidroeletricidade a que possui maior participação (REN21, 2017).
Energia não renovável;
75,5% Hidráulica; 16,6% Biomassa; 2,0% Eólica; 4,0% Solar Fotovoltaica; 1,5% Oceanos, CSP e Geotermia ; 0,4% Energia Renovável; 24,5%
Figura 2.1:Matriz elétrica mundial Fonte: REN21 (2017)
No Brasil, esse cenário é bastante diferente, existe uma predominância da participação das energias renováveis na geração de energia elétrica. No ano de 2016, foram ofertados 619,7 TWh, desse total 81,7% foram de origem renovável (Figura 2.2). Destaca-se que nesse período houve a redução da geração termoelétrica com base em combustíveis fósseis, maior oferta de energia hidráulica devido a condições hidrológicas mais favoráveis e incremento da geração de energia eólica, que atingiu 33,5TWh, crescimento de 54,9%, sendo que a potência instalada atingiu 10.124MW, expansão de 32,6%. Cabe destacar também que a Micro e Mini Geração Distribuída, devido a ações regulatórias atingiu 104,1GWh, potência instalada de 72,5MW.
Sendo destaque a energia solar fotovoltaica, com 53,6GWh e 56,9MW de geração e potência instalada respectivamente.
Hidráulica; 68,1% Biomassa; 8,2% Eólica; 5,4% Solar; 0,0% Gás Natural; 9,1% Derivados de Petróleo; 3,7%
Nuclear; 2,6% Carvão e Derivados; 2,9%
Figura 2.2: Matriz elétrica brasileira
Fonte: Empresa de Pesquisa Energética (2017)
O sistema de geração de energia elétrica brasileiro pode ser caracterizado como um sistema hidrotérmico. A estratégia operativa usual é privilegiar a participação da hidroeletricidade, para o atendimento à carga de base diária, e as usinas termelétricas, operando, principalmente, para atender à carga de ponta diária, ou ainda, para contribuir parcialmente para a geração de energia elétrica com vistas ao atendimento da carga de base diária em períodos quando menores vazões afluentes aos reservatórios de usinas hidrelétricas são esperadas (LUCENA, 2010).
Vislumbra-se para o médio e longo prazo uma menor participação da hidroeletricidade na matriz elétrica (BRASIL, 2007), haja vista que os potenciais remanescentes para aproveitamentos hidrelétricos estarem situados em áreas ambientalmente sensíveis, longe dos centros de consumo, implicando em maiores tempos para licenciamento ambiental, investimentos na expansão da infraestrutura de linhas de transmissão do Sistema Interligado Nacional (SIN). Também se ressaltam que os principais aproveitamentos hidrelétricos: Belo Monte no rio Xingu e Santo Antônio e Jirau no rio Madeira, operarão a fio d’água, dependendo fortemente dos regimes hídricos para alcançarem níveis de
geração de energia próximos da capacidade nominal (SORIA et al., 2015).
Recentemente, tem-se observado a crescente participação na matriz elétrica, da fonte eólica, concentrada principalmente no Nordeste brasileiro e caracterizada pela intermitência ou sazonalidade de geração. A experiência passada por outros países indica a necessidade de se incrementar a flexibilidade operativa em sistemas elétricos com grande penetração de fontes intermitentes, principalmente a solar e eólica. A gradativa perda da flexibilidade operativa do sistema elétrico brasileiro, aliado à forte expansão da fonte eólica numa região concentrada pode se tornar um desafio para a operação ótima do SIN (CAVADOS, 2015).
As usinas termoelétricas a combustíveis fósseis, principalmente aquelas que fazem uso do gás natural, atuam e atuarão como elementos de segurança para evitar deficits no suprimento de energia, assegurar maior flexibilidade operacional do sistema elétrico nacional frente à inserção das fontes intermitentes, no atendimento à carga de ponta diária e em casos de condições hidrológicas críticas, sendo denominadas e classificadas para geração flexível a gás natural.
Nesse contexto surge a necessidade de diversificação na expansão da capacidade de geração de energia elétrica entre fontes renováveis e fontes flexíveis, como é o caso da energia solar concentrada, do biogás e do RSU. Todas essas fontes renováveis podem contribuir para minimizar o uso de combustíveis fósseis na matriz elétrica brasileira, diminuindo as emissões de gases de efeito estufa, incrementar a segurança no suprimento de energia elétrica, e se caracterizam pela flexibilidade operacional e possibilidade de operação na base próxima aos centros consumidores, contribuindo também para maior sustentabilidade e solução de problemas como a geração de resíduos. 2.2 Resíduos sólidos urbanos
2.2.1 Breve histórico
O destino dos RSUs foi, por centenas de anos, a eliminação por meio da queima/combustão. O primeiro incinerador construído ocorreu somente no século XIX, em Nottingham no Reino Unido, em 1874 (FOUNTOULAKIS; MANIOS, 2009). Depois de uma epidemia de cólera, em 1892, a cidade de Hamburgo decidiu construir a primeira planta da Alemanha. Inicialmente, essas plantas foram principalmente destinadas ao saneamento, mas contribuíram e foram um fator importante também para a redução de volume e peso dos resíduos
sólidos urbanos. Algumas plantas realizaram a recuperação de energia, mas com eficiência térmica bastante limitada e pouco ou nenhum controle de emissões atmosféricas. Na década de 1980, na atual European Union (EU) foram introduzidas legislações para controlar as emissões resultantes da incineração, e, desde então, têm sido modificadas e aprimoradas, exigindo maior controle do processo e valores limites de emissões mais rigorosos, correspondendo a atual Industrial Emissions Directive (IED), 2010/75/EU.
As melhorias na eficiência térmica e no desempenho ambiental no tratamento termoquímico em plantas de recuperação energética, ocorrido nas últimas décadas, resultaram no estabelecimento comercial dessa tecnologia em todo o mundo, somente na Europa, de acordo com Confederation of European Waste-to-Energy Plants (2015), 507 plantas WtE estão em operação, processando 90,8 milhões de tonelada de RSUs (Tabela 2.1).
Tabela 2.1: Plantas WtE em operação na Europa
País Plantas em operação
Quantidade de resíduos tratados termicamente (106 toneladas) Alemanha 121 26 Austria 11 2,5 Bélgica 18 3,4 Dinamarca 26 3,5 Eslováquia 2 0,19 Espanha 12 2,9 Estônia 1 0,22 Finlândia 9 1,28 França 126 14,7 Holanda 12 7,57 Hungria 1 0,38 Irlanda 1 0,23 Itália 40 6,11 Lituânia 1 0,18 Luxemburgo 1 0,15 Noruega 17 1,63 Polônia 1 0,04 Portugal 4 1,14 Reino Unido 37 8,48 República Tcheca 3 0,66 Suécia 33 5,62 Suíça 30 3,89 Total 507 90,77
Fonte: Confederation of European Waste-to-Energy Plants (2015)
Apesar desse expressivo número de plantas, ainda existem diferenças entre as plantas de tratamento termoquímico no mundo, enquanto que 100% das plantas de tratamento térmico na Suécia são de recuperação energética (PEREIRA, 2017), apenas 24,5% das plantas de incineração de resíduos do Japão estão recuperando qualquer energia dos resíduos (TABATA, 2013).
Nos países da UE que alcançaram altas taxas de desvio da disposição em aterro sanitário, foram realizadas, em paralelo, as iniciativas de reciclagem de materiais, tratamento biológico e recuperação energética de resíduos (Figura 2.3). Isso demonstra que a
recuperação energética de resíduos é uma parte vital do gerenciamento integrado de resíduos, e existem bons exemplos do sucesso dessas ações. A parcela dos resíduos tratados por WtE difere entre diferentes países, dependendo das condições locais e regulamentação e política (EIA BIOENERGY, 2015). 3 4 11 1 1 0 1 1 3 22 17 1 23 25 49 28 37 24 3142 50 51 57 66 64 57 82 82 92 72 78 81 55 54 53 51 50 48 46 45 38 36 34 32 32 27 21 20 19 18 18 18 16 15 14 11 4 4 3 1 1 0 0 0 42 38 31 48 49 53 53 54 59 42 48 6645 47 30 51 44 57 5040 34 35 30 23 32 33 15 17 8 28 21 19 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% F in lâ nd ia N orue ga E st ôni a D ina m arc a S ué ci a S uí ça H ol and a B él gi ca A us tri a F ra nç a L uxe m burg o A le m anha R ei no U ni do E U 28 P or tuga l It ál ia P ol ôni a S lovê ni a L it uâ ni a Ir la nda Re púb li ca … H ung ri a E spa nha S lov áqu ia B ul gá ri a Is lâ ndi a Rom êni a G ré ci a M al ta L et ôni a C roá ci a Ci prus
Aterro Sanitário Recuperação Energética Reciclagem e Compostagem
Figura 2.3: Tratamento e destinação final de resíduos sólidos urbanos na União Europeia em 2016
Fonte: Eurostat Statistical Books (2018)
Entre as várias alternativas conhecidas para destinação e disposição de resíduos sólidos, como a recuperação energética, reciclagem e compostagem, a prática de utilização de áreas para aterramento do lixo, sejam em lixões, aterros controlados ou aterros sanitários, ainda é a mais comum (PECORA; VELÁZQUEZ; COELHO, 2009).
Os resíduos sólidos são caracterizados por sua heterogeneidade, tanto na qualidade, relacionada à composição, quanto na quantidade gerada de cada fração que o compõe. Entre os fatores que influenciam essa heterogeneidade, citam-se os socioeconômicos: padrão de vida, política econômica, gestão e gerenciamento de resíduos, fatores geográficos, condições climáticas e fatores culturais, como hábitos e costumes da sociedade, sazonalidade na geração de resíduos.
No tratamento dos resíduos sólidos, podem ser empregados tratamentos mecânicos, em que são realizados processos físicos com o objetivo de separação (remoção de metais, materiais volumosos) ou alterar o tamanho físico dos resíduos (granulometria), tipicamente esse processo é associado às etapas de reciclagem de materiais, tratamentos bioquímicos e biológicos, nas quais atuam microrganismos, como
bactérias e fungos, que consomem a fração orgânica presente do RSU convertendo em energia para o próprio metabolismo, e podem também produzir outros subprodutos, como o biogás, os processos mais conhecidos são a biodigestão anaeróbia e a compostagem. Ainda têm-se os processos termoquímicos, os quais podem, ou não, envolver a recuperação energética, destacam-se a incineração, gaseificação e pirólise. Outras iniciativas também vêm sendo exploradas, como a conjugação de processos de tratamento mecânico e biológico, produção de biogás, recuperação e tratamento do digestado (efluente da biodigestão anaeróbia) para a recuperação de frações recicláveis de valor econômico e também para a obtenção de um composto de alta qualidade e livre de contaminações (DE BAERE, 2007).
2.2.2 Recurso energético do resíduo sólido urbano
A determinação do poder calorífico dos combustíveis sólidos pode ser obtida por diferentes metodologias, no caso do RSU, a maneira usual baseia-se na determinação da composição gravimétrica, determinação do teor de umidade das frações que o compõe, com o subsequente cálculo de uma média ponderada do poder calorífico da mistura.
A análise gravimétrica do RSU baseia-se em métodos amostrais e estatísticos e exige uma campanha ao longo do ano, pois existe toda uma variabilidade dos componentes da mistura, seja ela diversificada nas diferentes regiões amostrais, uma vez que estão diretamente relacionados com características, hábitos e costumes de consumo e descarte da população local, fatores climáticos e de gerenciamento do sistema de coleta do resíduo também afetam, teor de umidade, por exemplo. Todos esses fatores acabam por afetar a qualidade do RSU, e trazem ao processo de caracterização gravimétrica maiores níveis de incerteza.
A composição gravimétrica média do RSU coletado no Brasil permite avaliar qualitativamente, de um modo geral, a participação de diferentes materiais na fração total do RSU e compreender como as frações combustíveis podem contribuir para a recuperação energética, bem como para avaliar as iniciativas para a reciclagem e economia circular (Tabela 2.2).
