ANÁLISE DE UM CICLO RANKINE ORGÂNICO...
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ANÁLISE DE UM CICLO RANKINE ORGÂNICO EMPREGANDO PENTANO COMO FLUIDO DE TRABALHO E RESÍDUOS AGRÍCOLAS COMO INSUMO ENERGÉTICO Tarcisio Meibak Tavares Pereira Projeto de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia Mecânica da Escola Politécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Engenheiro. Orientadores: Prof. Alexandre Salem Szklo, D.Sc e Silvio Carlos Anibal de Almeida, D.Sc. Rio de Janeiro Setembro de 2017
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ANÁLISE DE UM CICLO RANKINE ORGÂNICO EMPREGANDO
PENTANO COMO FLUIDO DE TRABALHO E RESÍDUOS
AGRÍCOLAS COMO INSUMO ENERGÉTICO
Tarcisio Meibak Tavares Pereira
Projeto de Graduação apresentado ao Curso de
Engenharia Mecânica da Escola Politécnica,
Universidade Federal do Rio de Janeiro, como
parte dos requisitos necessários à obtenção do
título de Engenheiro.
Orientadores: Prof. Alexandre Salem Szklo, D.Sc
e Silvio Carlos Anibal de Almeida, D.Sc.
Rio de Janeiro
Setembro de 2017
ANÁLISE DE UM CICLO RANKINE ORGÂNICO EMPREGANDO
PENTANO COMO FLUIDO DE TRABALHO E RESÍDUOS
AGRÍCOLAS COMO INSUMO ENERGÉTICO
Tarcisio Meibak Tavares Pereira
PROJETO FINAL SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE
ENGENHARIA MECÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL
DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A
OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO MECÂNICO.
Aprovado por:
_______________________________________________
Prof. Silvio Carlos Anibal de Almeida, D.Sc (Orientador)
_______________________________________________
Prof. Alexandre Salem Szklo, D.Sc (Orientador)
_______________________________________________
Prof. Thiago Gamboa Ritto, D.Sc
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL
SETEMBRO de 2017
iii
Pereira, Tarcisio Meibak Tavares
Análise de um Ciclo Rankine Orgânico Empregando Pentano como Fluido de
Trabalho e Resíduos Agrícolas como Insumo Energético / Tarcisio Meibak
Tavares Pereira – Rio de Janeiro: UFRJ/ Escola Politécnica, 2017.
XII,80, p.:il.; 29,7 cm
Orientadores: Alexandre Salem Szklo e Silvio Carlos Anibal de Almeida.
Projeto de Graduação – UFRJ/Escola Politécnica/Curso de Engenharia
Mecânica, 2017.
Referências Bibliográficas: p. 80-86
1. Ciclo Rankine Orgânico. 2. Resíduos Agrícolas. 3. Pentano. I. Szklo,
Alexandre Salem. De Almeida, Silvio Carlos Anibal. II. Universidade Federal do
Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Curso de Engenharia Mecânica. III. Análise
de um Ciclo Rankine Orgânico Empregando Pentano como Fluido de Trabalho e
Resíduos Agrícolas como Insumo Energético.
iv
“A persistência é o menor caminho do êxito”
Charles Chaplin
v
Agradecimentos
Agradeço aos meus pais, Marília e Ricardo, pelo amor e apoio irrestritos, pelos ensinamentos
e valores transmitidos, pelo modelo que são, pela estrutura e sustento que com muito esforço
me proporcionaram e, principalmente, pela vida.
Ao meu irmão mais velho Marcelo, meu primeiro e melhor amigo, agradeço pela lealdade e
proteção de sempre, pelas brincadeiras, jogos, brigas e piadas internas, com quem amadureci
dividindo e convivendo durante tanto tempo.
Agradeço à minha amada namorada Gabrielle, simplesmente por tornar minha vida mais
alegre há tantos anos. Obrigado por sempre acreditar em mim, mesmo nos momentos mais
difíceis desta trajetória, por me dar força e estímulo, indispensáveis para eu seguir em frente.
Sua amizade, companheirismo, cumplicidade, amor e paciência foram essenciais, sobretudo
nestes últimos meses.
Não poderia deixar de agradecer aos meus orientadores Alexandre e Silvio, primeiramente
pela prontidão em aceitar tal responsabilidade e por terem acreditado em mim. Sou ainda mais
grato, no entanto, pela dedicação com que me conduziram à conclusão deste trabalho, com
excelentes feedbacks e ricas explicações e esclarecimentos, dando-me a clareza e motivação
para avançar e superar cada desafio enfrentado ao longo do processo.
A meus colegas da UFRJ, em especial à Clarissa, à Iasmin, à Íris, ao Iago, à Daniela, ao
Sandro, ao Vinicius e ao Mateus pelo tempo e convivência durante minha graduação. Graças
a vocês, este longo período de graduação pareceu mais curto. Agradeço ainda a meus amigos
que fiz ao longo da minha vida fora da faculdade, pelos tantos anos de amizade, cumplicidade
e suporte, tornando minha vida mais plena, divertida e sólida.
Por fim, agradeço a Deus por ter colocado em minha vida todas essas pessoas que tive a sorte
de conhecer e conviver, pelos obstáculos que só me fortaleceram, pela minha saúde e pelas
tantas conquistas e alegrias que vivi e viverei.
vi
Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/UFRJ como parte
dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Mecânico.
ANÁLISE DE UM CICLO RANKINE ORGÂNICO EMPREGANDO PENTANO
COMO FLUIDO DE TRABALHO E RESÍDUOS AGRÍCOLAS COMO INSUMO
ENERGÉTICO
Tarcisio Meibak Tavares Pereira
Setembro/2017
Orientadores: Alexandre Salem Szklo e Silvio Carlos Anibal de Almeida
Curso: Engenharia Mecânica
Diante do acelerado crescimento do consumo energético mundial e do impacto ao meio
ambiente devido à exploração e utilização de combustíveis fósseis, novas alternativas para a
obtenção de energia são cada vez mais buscadas, incentivadas e pesquisadas. É nesta
conjuntura que sistemas operando em ciclo Rankine orgânico se mostram excelentes
alternativas, através das quais fontes renováveis e descentralizadas, cuja combustão produz
calor de baixa e média temperatura, perfilam-se como recursos energéticos promissores, cujo
potencial pode ainda ser aperfeiçoado. O presente trabalho destina-se a avaliar o desempenho
termodinâmico de um ciclo Rankine orgânico utilizando-se de resíduos provenientes da
produção agrícola do Brasil, cujo aproveitamento é pouco explorado. Para isso, foi
desenvolvida uma ferramenta em Microsoft Excel, a qual ainda é capaz de mensurar o
potencial de geração de energia dos municípios que mais produzem commodities agrícolas,
consideradas as de maior relevância no país.
Palavras-chave: Ciclo Rankine Orgânico, Resíduos Agrícolas, Pentano.
vii
Abstract of Undergraduate Project Presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of
the requirements for the degree of Mechanical Engineer
ANALYSIS OF AN ORGANIC RANKINE CYCLE EMPLOYING PENTANE AS A
WORK FLUID AND AGRICULTURAL WASTE AS ENERGY SUPPLY
Tarcisio Meibak Tavares Pereira
September/2017
Due to the rise of the world energy consumption and the implied impact on the environment
derived from the exploitation and use of fossil fuels, new alternatives for obtaining energy are
increasingly sought after, encouraged and researched. Hence, systems operating under organic
Rankine cycle (ORC) prove to be an excellent alternative. These systems allow the use of
renewable and decentralized sources whose combustion generates heat of low and medium
temperatures, being, thus, promising energy resources. This work aims at evaluating the
thermodynamic performance of an organic Rankine cycle using residues from agricultural
production in Brazil, whose use is still not explored. For this purpose, a tool was developed in
Microsoft Excel, which is also able to measure the power generation potential of the major
municipalities that produce the most important agricultural products in the country.
Key words: Organic Rankine Cycle, Agricultural Crop Residues, Pentane.
viii
Sumário
Lista de Figuras ................................................................................................................ x
Lista de Tabelas .............................................................................................................. xii
1. Introdução .................................................................................................................... 1
1.1 Objetivos ................................................................................................................. 4
1.2 Organização do Trabalho ........................................................................................ 4
2. Contextualização da Proposta ...................................................................................... 5
2.1 Biomassa ................................................................................................................. 5
2.2 Tecnologias de Conversão de Biomassa ................................................................. 9
2.2.1 Combustão Direta.......................................................................................... 10
2.3 Resíduos Agrícolas ............................................................................................... 14
2.3.1 Definição ....................................................................................................... 14
2.3.2 Aplicações e Utilidades ................................................................................. 14
2.3.3 Desafios ......................................................................................................... 15
2.3.4 Resíduos no Brasil ........................................................................................ 16
3. Ciclo Rankine Orgânico ............................................................................................. 20
3.1 Introdução ............................................................................................................. 20
3.2 Seleção do Fluido de Trabalho ............................................................................. 25
3.2.1 Propriedades Termodinâmicas ...................................................................... 26
3.2.2 Saúde, Segurança e Impacto Ambiental........................................................ 29
3.2.3 Disponibilidade e Custos............................................................................... 30
3.3 Pentano .................................................................................................................. 30
3.4 Comparação entre Ciclo Rankine Orgânico e Ciclo Convencional a
Vapor ................................................................................................................... 33
3.5 Fontes de Calor do ORC ....................................................................................... 38
4. Ferramenta de Análise Técnica do Ciclo ................................................................... 42
4.1 Configuração do Ciclo .......................................................................................... 42
ix
4.2 Modelo Matemático .............................................................................................. 44
4.3 Ferramenta Desenvolvida ..................................................................................... 45
4.3.1 Aba “Etapa 1 Análise do Ciclo ORC” .......................................................... 46
4.3.1.1 Guia ao Usuário ................................................................................................. 46
4.3.1.2 Equacionamento Básico da Ferramenta ............................................................ 51
4.3.2 Aba “Etapa 2 Análise do Ciclo Geral” .......................................................... 54
4.3.2.1 Guia ao Usuário ................................................................................................. 54
5. Estudo de Casos ......................................................................................................... 61
5.1 Caso A – Módulo ORC de 200kW, com o n-pentano no estado de
vapor saturado na entrada da turbina, uso de resíduos do milho ......................... 62
5.2 Caso B – Módulo ORC de 200kW, com o n-pentano no estado de
vapor saturado na entrada da turbina, uso de resíduos do arroz .......................... 68
5.3 Caso C – Módulo ORC de 1MW, com o n-pentano no estado de
vapor saturado na entrada da turbina, uso de resíduos do arroz .......................... 71
5.4 Caso D – Módulo ORC de 1MW, com o n-pentano no estado de
vapor superaquecido na entrada da turbina, uso de resíduos do arroz ................. 73
6. Conclusão ................................................................................................................... 78
Referências Bibliográficas .............................................................................................. 79
Anexo I ........................................................................................................................... 87
Primeira Lei da Termodinâmica ................................................................................. 87
Segunda Lei da Termodinâmica ................................................................................. 89
Anexo II .......................................................................................................................... 90
Listas dos Municípios Maiores Produtores do Produto Agrícola ............................... 90
x
Lista de Figuras
Figura 1 – Rotas Tecnológicas para Geração de Energia [18] ................................................. 10
Figura 2 - Processos de Conversão para Geração de Energia [18] ........................................... 10
Figura 3 – Configuração básica de um ciclo Rankine [27] ...................................................... 20
Figura 4 – Faixas de potência e eficiência típicas de algumas máquinas térmicas [14]........... 21
Figura 5 – Faixas de potência e temperatura típicas de algumas máquinas térmicas [31] ....... 22
Figura 6 – Configuração básica de um ciclo Rankine orgânico [18] ....................................... 23
Figura 7 – Configuração de um ciclo Rankine orgânico com regenerador [18] ...................... 24
Figura 8 – Tipos de perfil das curvas de vapor saturado para diferentes fluidos [14].............. 26
Figura 9 – Curvas de saturação da água e de alguns fluidos refrigerantes [8] ......................... 34
Figura 10 – Configuração de um ciclo Rankine orgânico – biomassa [40] ............................. 39
Figura 11 – Configuração de um ciclo Rankine orgânico – energia solar [27] ........................ 40
Figura 12 – Configuração de um ciclo Rankine orgânico – energia geotérmica [27] .............. 41
Figura 13 – Configuração de um ciclo Rankine orgânico – calor residual de processos
industriais [27] .......................................................................................................................... 42
Figura 14 – Modelo Utilizado do Ciclo e sua Composição [27] .............................................. 43
Figura 15 – Configuração e diagrama T x s do Ciclo Rankine simples [32] ........................... 45
Figura 16 – Mapeamento dos 6 estados termodinâmicos existentes durante o ciclo Rankine
orgânico [42]............................................................................................................................. 47
Figura 17 – Aba “Etapa 1 Análise do Ciclo ORC” – interface dos campos de entrada ........... 47
Figura 18 – Aba “Etapa 1 Análise do Ciclo ORC” – Guia para intervalo aceitável para T4.... 48
Figura 19 – Aba “Etapa 1 Análise do Ciclo ORC” – Interface dos campos de saída .............. 49
Figura 20 – Aba “Etapa 1 Análise do Ciclo ORC” – Curva de saturação e gráfico do ciclo
ORC .......................................................................................................................................... 50
Figura 21 – Aba “Etapa 1 Análise do Ciclo ORC” – Legenda................................................. 51
Figura 22 – Aba “Etapa 1 Análise do Ciclo ORC” – Máxima eficiência possível .................. 51
Figura 23 – Dados do Equipamento [39] ................................................................................. 55
Figura 24 – Seleção do Produto Agrícola ................................................................................. 56
Figura 25 – Seleção do Município Dentre os Maiores Produtores da Produção Agrícola
Selecionada [26] ....................................................................................................................... 57
Figura 26 – Legenda da Aba “Etapa 2 Análise do Ciclo Geral” .............................................. 61
xi
Figura 27 – Caso A: Dados de Entrada .................................................................................... 62
Figura 28 – Caso A: Diagrama do Ciclo .................................................................................. 62
Figura 29 - Caso D: Dados de entrada ...................................................................................... 73
Figura 30 – Caso D: Diagrama do Ciclo .................................................................................. 73
xii
Lista de Tabelas
Tabela 1 – Comparação entre biomassa e petróleo [12] ............................................................. 6
Tabela 2 – Análise de alguns biocombustíveis e do carvão (base em massa) [13] .................... 7
Tabela 3 – Composição das cinzas de alguns dos produtos da biomassa e do carvão [13] ..... 11
Tabela 4 – Efeitos negativos de cada elemento no combustível no leito fluidizado [4] .......... 12
Tabela 5 – Série Histórica de Produção por Safras – Brasil (1.000 t/ano) [9] ......................... 17
Tabela 6 – Série Histórica de Área Plantada – Brasil (1.000 ha) [9] ....................................... 18
Tabela 7 – Quantidade de produto das lavouras primárias produzida em 2015 [26] ............... 19
Tabela 8 – Propriedades de aproveitamento dos resíduos agrícolas [9] ................................... 19
Tabela 9 – Funções dos equipamentos de um ciclo Rankine orgânico [11] ............................ 25
Tabela 10 – Custo e índices de impacto ambiental e segurança de alguns refrigerantes [32] .. 29
Tabela 11 – Comparação entre os ciclos Rankine orgânico e a vapor [27] .............................. 38
Tabela 12 – Análise dos Equipamentos Turboden [19] ........................................................... 55
Tabela 13 – Análise dos Produtos Agrícolas [9] ...................................................................... 56
Tabela 14 – Consumo elétrico por município [26][43] ............................................................ 58
Tabela 15 – Resultados da Combinação Equipamento/Biomassa/Município .......................... 58
Tabela 16 – Caso A: Dados de saída ........................................................................................ 64
Tabela 17 – Caso A: Dados do equipamento ........................................................................... 65
Tabela 18 – Caso A: Dados da biomassa ................................................................................. 66
Tabela 19 – Caso A: Resultados ............................................................................................... 67
Tabela 20 – Caso B: Dados da biomassa .................................................................................. 69
Tabela 21 – Caso B: Resultados ............................................................................................... 70
Tabela 22 – Caso C: Dados do equipamento ............................................................................ 71
Tabela 23 – Caso C: Resultados ............................................................................................... 72
Tabela 24 – Caso D: Dados de saída ........................................................................................ 74
Tabela 25 – Caso D: Dados do equipamento ........................................................................... 76
Tabela 26 – Caso D: Resultados ............................................................................................... 77
1
1. Introdução
Nos últimos anos, o consumo de energia mundial tem-se elevado a níveis nunca antes
alcançados, liberando, no mesmo processo, grandes quantidades de CO2 na atmosfera.
Para se ter uma ideia, segundo dados da Agência Internacional de Energia, prevê-se que,
até 2030, em nível mundial, o crescimento da demanda por energia elétrica seja de
119% no setor residencial, 97% em serviços e 86% no segmento industrial, resultando
em uma produção de 30.364 TWh [1].
Já em âmbito nacional, dados da ANEEL revelam que a energia gerada em 2016 em
todo o território brasileiro foi de 539.270 GWh [2], e pesquisas realizadas pelo ONS
(Operador Nacional do Sistema Elétrico), em conjunto com a EPE (Empresa de
Pesquisa Energética), projetam para 2030 uma demanda do SIN (Sistema Interligado
Nacional) de 1.071.379 GWh [3].
Deve-se levar em conta, no entanto, que tal geração de energia elétrica, dependendo de
como é obtida, tem seus efeitos colaterais, comprometendo o meio ambiente de forma
significativa. Várias caldeiras, fornos e motores que queimam combustíveis fósseis
emitem poluentes gasosos, tais como SO2, NOx, CO, N2O, mercúrio e compostos
orgânicos voláteis (HC). Os ventos carregam esses poluentes a grandes distâncias, às
vezes criando problemas de poluição transfronteiriça. Alguns poluentes gasosos, como
o SOx, entram em reações químicas complexas com a umidade, catalisadas pela luz
solar, formando ácidos. Estes ácidos são então precipitados na terra por meio de chuvas
ácidas [4].
Sob a ótica de aquecimento global, usinas baseadas em combustíveis fósseis têm grande
influência nas alterações climáticas globais, uma vez que emitem gases que contribuem
com o efeito estufa, como CO2 [4]. Para se ter uma ideia, atualmente, a geração de
eletricidade contribui com cerca de 83% das emissões globais de gases de efeito de
estufa, devido à grande dependência do carvão [3].
Por último, a poluição por mercúrio contamina peixes em lagos, reservatórios e rios. A
ingestão de peixe contaminado com mercúrio, por exemplo, pode resultar em danos ao
2
sistema nervoso humano, causando atrasos no desenvolvimento e dificuldades de
aprendizagem e colocando riscos especiais para crianças e mulheres em idade fértil [4].
A evolução da tecnologia energética, contudo, bem como as políticas energéticas e
climáticas, está conduzindo a um cenário de mudança global em direção à produção de
eletricidade com baixo teor de carbono [5], intensificando-se investimentos visando não
somente à redução da emissão de gases de efeito estufa e à maximização da eficiência
da conversão de energia, mas também a uma contribuição maior do uso de fontes
renováveis de energia.
Tais preocupações com as mudanças climáticas provavelmente incluirão, como
consequência, algumas melhorias nos atuais sistemas de energia: diminuição da
intensidade energética dos edifícios e da indústria; substituição de combustíveis fósseis
para eletricidade em aplicações como transporte e aquecimento; geração de energia
limpa por uma mudança maciça rumo a fontes renováveis (eólica, hídrica, solar,
biomassa, geotérmica etc.); e reforço da capacidade e transmissão das redes inter-
regionais para comportar flutuações diárias e sazonais [6].
Adicionalmente, outra significativa mudança que vem ocorrendo em conjunto com as
tendências supracitadas é a produção de energia elétrica descentralizada. Como o nome
já sugere, trata-se de energia produzida próxima de onde será utilizada, em oposição à
produzida em uma usina de grande escala, distribuída pela rede nacional [7].
Tal geração local reduz as perdas de transmissão e a emissão de carbono na atmosfera.
Além disso, a segurança do aprovisionamento de energia é aumentada em âmbito
nacional, uma vez que os clientes não necessitam partilhar uma oferta nem dependem de
grandes centrais elétricas, relativamente escassas e remotas.
É possível, ainda, se obter benefícios econômicos, uma vez que a energia
descentralizada, em longo prazo, poderá oferecer preços mais competitivos do que a
energia tradicional. Embora os custos iniciais de instalação possam ser maiores, uma
tarifa especial de energia descentralizada gera preços mais estáveis. Com isso, esta
3
abordagem de fornecimento de energia com baixo teor de carbono possibilita promover
uma escolha de energia local, sustentável, competitiva e inteligente [7].
É diante deste cenário rumo à produção renovável e descentralizada de energia que
surgem, como excelentes alternativas, sistemas que operam sob o Ciclo Rankine
Orgânico (ORC). Estes sistemas transformam energia térmica em trabalho e envolvem
os mesmos componentes que uma central de vapor convencional (uma caldeira, um
dispositivo de expansão de produção de trabalho, um condensador e uma bomba). No
entanto, diferenciam-se pelo fluido de trabalho empregado, que é um componente
orgânico caracterizado por uma menor temperatura de ebulição que a água, permitindo,
assim, a geração de energia a partir de fontes de calor a baixas temperaturas,
proporcionando a geração de potência descentralizada e em pequena escala [8].
Tais aspectos tornam a tecnologia ORC mais adequada para a conversão de energia a
partir de fontes renováveis do que ciclos convencionais a vapor, pois o seu
aproveitamento é normalmente mais condicionado à localização do que os combustíveis
fósseis, além de sua temperatura ser mais baixa do que a obtida com combustíveis
tradicionais [8].
Dentre as diversas aplicações de um sistema ORC, o presente trabalho faz uma análise
mais aprofundada da conversão de energia a partir da biomassa, em especial da
proveniente de resíduos da produção agrícola no Brasil, dada a sua grande
disponibilidade e seus inúmeros benefícios, os quais serão descritos nos capítulos
subsequentes.
A utilização dos resíduos produzidos no Brasil, entretanto, necessita ainda de avaliações
acuradas e detalhadas sobre o seu potencial de recuperação economicamente viável,
assim como análises completas de seus ciclos de vida como produtos energéticos.
Apesar da escassez de informações disponíveis sobre estes parâmetros até o presente
momento, decorrente principalmente da ausência de interesse de sua utilização como
produto energético, os estudos neste sentido começam a ser desenvolvidos de forma
4
mais consistente frente às expectativas da valorização destes resíduos para diversas
aplicações sustentáveis [9].
1.1 Objetivos
Tendo em vista o cenário de crescimento da demanda de energia e a preocupação com
os efeitos nocivos ao meio ambiente, este trabalho visa à análise do potencial de energia
elétrica gerada a partir de um sistema operando sob o Ciclo Rankine Orgânico,
utilizando o pentano como fluido de trabalho e empregando resíduos das produções
agrícolas mais significativas no Brasil como insumo energético. Para esse propósito, foi
desenvolvida uma ferramenta computacional, em plataforma Microsoft Excel, capaz de
simular o funcionamento do ciclo, permitindo ao usuário aperfeiçoar a produção
energética em função da escolha de um determinado resíduo, do equipamento utilizado -
e sua respectiva potência nominal -, e do município onde ele seria empregado, levando
em conta a sua disponibilidade e o seu potencial aproveitamento.
1.2 Organização do Trabalho
Este trabalho foi organizado em sete capítulos. No primeiro, é feita uma breve
introdução do tema proposto, identificando algumas motivações que levaram ao estudo
desta recente tecnologia, apresentando suas principais características e aplicações. Além
disso, são explicitados os objetivos que se ambicionam alcançar neste trabalho, assim
como é indicado um breve resumo de como ele foi organizado.
O segundo capítulo analisa aspectos da biomassa no mundo e mais especificamente no
Brasil. Também são introduzidas as tecnologias de conversão de biomassa, com
enfoque na combustão direta e seus principais desafios, por se tratar do método mais
utilizado em sistemas ORC. Além das propriedades da biomassa em questão, são
utilizados dados de produção dos produtos agrícolas primários fornecidos pelo IBGE e
apresentada uma estatística sobre o aproveitamento de seus respectivos resíduos.
5
Já o terceiro capítulo aborda o Ciclo Rankine Orgânico, apontando suas principais
características e aplicações. Adicionalmente, são separadas seções específicas, as quais
ilustram os critérios de seleção do fluido de trabalho do sistema, contendo as principais
diferenças entre o Ciclo Rankine Orgânico e o Ciclo Rankine a Vapor, uma breve
descrição do pentano e as diferentes aplicações nas quais o ORC é empregado, com
foco especial naquela que utiliza a combustão de biomassa como fonte de calor.
O quarto capítulo é destinado ao equacionamento que foi utilizado em todo o trabalho,
onde são mencionadas as considerações quanto à configuração do sistema ORC e ainda
discorre sobre a ferramenta desenvolvida neste trabalho. Ainda neste capítulo, são
apresentados a estrutura da ferramenta, os parâmetros que são inseridos pelo usuário, os
resultados obtidos, seus significados e os cálculos realizados para alcançá-los.
O quinto capítulo apresenta os estudos de caso realizados. Foram analisados quatro
casos, sempre se alterando um parâmetro em relação ao caso anterior. Para cada um
deles, foram apresentados todos os parâmetros utilizados como dados de entrada na
ferramenta, assim como os resultados obtidos.
O sexto capítulo apresenta as conclusões a que chegou o estudo dos casos, além de
terem sido feitas propostas para futuros trabalhos, a fim de aprofundar as análises
realizadas em um sistema operando sob um Ciclo Rankine Orgânico utilizando-se da
combustão de resíduos da agricultura como fonte de calor.
Finalmente, o sétimo e último capítulo lista as referências bibliográficas consultadas
para a realização deste trabalho.
2. Contextualização da Proposta
2.1 Biomassa
Em termos energéticos, a biomassa pode ser considerada como qualquer matéria
orgânica de origem animal ou vegetal que possa ser utilizada na produção de energia.
Este tipo de fonte tem, como grande vantagem, a combustão direta em fornos e caldeiras
6
com pouco impacto ambiental. Contudo, sua eficiência é reduzida se comparada a
outros tipos de conversão de energia [10].
A composição da biomassa se dá basicamente pelos elementos químicos C, H e O,
formando um hidrocarboneto, assim como os combustíveis fósseis. Entretanto, a
principal diferença é a alta concentração do oxigênio na formação da biomassa. A
presença deste átomo faz com que a biomassa requeira menos oxigênio do ar,
diminuindo a quantidade de energia a ser liberada e, consequentemente, reduzindo seu
Poder Calorífico Superior [11].
Esta redução do Poder Calorífico Superior se explica principalmente pelo nitrogênio.
Durante a combustão, o nitrogênio presente no ar – cuja concentração mássica (78,08%)
é consideravelmente alta – se comporta como um gás inerte e não reage com outros
elementos. Todavia, a presença de nitrogênio afeta bastante o resultado de um processo
de combustão, uma vez que este elemento inicia a combustão a baixas temperaturas e
em grande quantidade e, ao fim do processo, alcança temperaturas consideravelmente
mais altas, absorvendo uma grande proporção da energia liberada durante a combustão.
A tabela 1 ilustra a comparação entre as concentrações típicas dos principais elementos
constituintes de biomassa e do petróleo, além de comparar o Poder Calorífico das
referidas fontes de energia.
Tabela 1 – Comparação entre biomassa e petróleo [12]
7
Observando-se a tabela 1, destaca-se a evidente correlação entre a elevada quantidade
de oxigênio na biomassa e seu consequente baixo poder calorífico.
As propriedades mais importantes do combustível que permitem uma primeira
impressão de seu potencial se dão pela sua composição, além do seu poder calorífico e
ponto de fusão das cinzas. A tabela 2 ilustra a composição de alguns produtos da
biomassa, juntamente com o carvão.
Tabela 2 – Análise de alguns biocombustíveis e do carvão (% em base mássica) [13]
Observando a tabela 2, percebe-se que, em comparação com o carvão, a biomassa
normalmente contém, percentualmente, menos carbono, mais oxigênio, mais potássio,
menos alumínio e menos ferro, além de possuir menor poder calorífico e maior
umidade. Além disso, a biomassa possui alta reatividade devido ao seu elevado
conteúdo de matéria volátil. Isto faz com que a biomassa inicie a ignição a partir de
baixas temperaturas e consuma até 90% de sua massa apenas nesse estágio.
A biomassa entrou no mercado de energia elétrica por ser considerada uma fonte
renovável, pois o ciclo de vida das plantas é relativamente curto. Adicionalmente,
quando deriva de cultivo ou floresta plantada, é uma fonte de menor impacto para
Mudanças Climáticas Globais, pois, durante seu crescimento, a planta absorve o CO2
que será liberado mais tarde. Assim, ela passou a ser considerada uma boa alternativa
para a diversificação da matriz energética mundial e passou a atrair o interesse de
desenvolvedores. A biomassa ainda tem uma parcela pequena do consumo energético
mundial, mas a tendência é de crescimento [10].
A biomassa encontra-se amplamente disponível em processos agrícolas e industriais,
tais como resíduos agrícolas ou indústria da madeira. A sua utilização, mais bem
8
sucedida em nível local, deve-se principalmente a três motivos: à sua respectiva baixa
densidade energética, que aumenta os custos de transporte da biomassa; a sua produção
ser dispersa e descentralizada, novamente aumentando os custos de transporte; e ao fato
de a demanda por eletricidade e calor ser normalmente local, o que torna este tipo de
instalações particularmente adequado nos casos em que não existe ligação à rede ou em
que esta ligação não seja fiável. A produção local conduz, assim, a instalações menores
(< 1 MW), excluindo os ciclos de vapor tradicionais que não são economicamente
viáveis nem tão eficientes nesta gama de potência [14] [12].
Ademais, a biomassa oferece uma série de vantagens em relação a combustíveis fósseis.
Ela é considerada uma fonte de energia renovável com baixa ou nenhuma emissão de
CO2, se produzida de forma sustentável. Uma avaliação do balanço de CO2, por
exemplo, mostra que, comparada à combustão do carvão, a combustão de biomassa
pode reduzir as emissões de CO2 em até 93% [13].
Baixas emissões de SOx (responsável por chuvas ácidas) e NOx (outro gás de efeito-
estufa) são outros benefícios. A cinza alcalina da biomassa capta SO2 formado durante a
combustão e, portanto, também pode reduzir as emissões líquidas desse gás.
Adicionalmente, o teor de nitrogênio combustível na biomassa é em muitos casos menor
do que no carvão, além de poder ser convertido em amônia durante o estágio de pirólise
da combustão, diminuindo, assim, sua emissão.
Além disso, as culturas energéticas cultivadas para o crescimento sustentável da
biomassa podem ser um gerador de empregos, especialmente nas áreas rurais, assim
como podem ser fonte de energia para os países, reduzindo com isso as importações de
carvão.
É neste contexto que se insere no mercado a construção de novas plantas de ORC, visto
que esta é a única tecnologia comprovada para aplicações descentralizadas de produção
de energia até 1 MWe a partir de combustíveis sólidos como a biomassa [14].
9
2.2 Tecnologias de Conversão de Biomassa
Os resíduos florestais, agrícolas, animais e a matéria orgânica contida nos resíduos
industriais e domésticos decorrem de matéria vegetal gerada por meio da fotossíntese,
que contêm energia química provinda da transformação energética da radiação solar e
pode ser liberada diretamente por combustão ou convertida em outras fontes energéticas
mais adequadas [9].
Uma ampla possibilidade de rotas de conversão energética da biomassa está disponível
e resulta em uma ampla variedade de produtos energéticos para a geração de calor, de
energia elétrica e de combustíveis para o transporte [9].
Existem três categorias das principais tecnologias de conversão de energia a partir da
biomassa: processos termoquímicos (combustão direta, gaseificação e pirólise),
processos bioquímicos e processos agroquímicos. Atualmente, os métodos mais
utilizados para converter a energia da biomassa em eletricidade são a gaseificação e
combustão direta, sendo este último o método utilizado em tecnologias ORC. Por essa
razão, será dada uma atenção especial ao processo de combustão [15][16][17].
As mencionadas rotas, que podem ser classificadas de acordo com a natureza de seus
processamentos primários, são apresentadas na figura 1.
Outra forma de classificação é pela fonte de biomassa e seus possíveis processos de
conversão. Como o conceito biomassa abrange uma grande gama de materiais, cada um
deve seguir por uma rota que melhor o processe, a fim de melhorar seu rendimento
energético ou se adequar a um tipo de usina. A figura 2 ilustra um diagrama
esquemático das rotas destes processos em função da fonte e classificação da biomassa.
10
Figura 1 – Rotas Tecnológicas para Geração de Energia [18]
Figura 2 - Processos de Conversão para Geração de Energia [18]
2.2.1 Combustão Direta
A combustão é uma reação química exotérmica entre um combustível (o redutor) e um
oxidante, geralmente oxigênio atmosférico, liberando uma grande quantidade de energia
e gerando produtos oxidados, geralmente gasosos [19][20].
11
Por meio da combustão de biomassa, o calor dessa reação pode ser transferido para um
fluido de trabalho, o qual é fornecido a um motor principal. As aplicações mais comuns
são o ciclo Rankine a vapor, com turbinas convencionais a vapor ou uma variedade de
diferentes máquinas a vapor, ou o ciclo Rankine orgânico, que se utiliza de um fluido
orgânico em vez de água como fluido de trabalho [15][16].
Na caldeira, onde ocorre a combustão, podem surgir alguns problemas relacionados às
cinzas no leito fluidizado (LF) devido à composição química da biomassa, os quais
serão analisados mais detalhadamente a seguir.
Antes de discorrer sobre eles, no entanto, vale estabelecer o conceito de cinza, que nada
mais é do que a parte inorgânica e não consumível do combustível que remanesce após
a combustão completa, contendo a fração mineral da biomassa original [13].
A tabela 3 ilustra a composição das cinzas de alguns dos produtos da biomassa,
juntamente com a composição das cinzas do carvão. Já a tabela 4 lista tais problemas,
relacionando-os aos elementos que compõem a biomassa.
Tabela 3 – Composição das cinzas de alguns dos produtos da biomassa e do carvão
(% em base mássica) [13]
12
Tabela 4 – Efeitos negativos de cada elemento no combustível no leito fluidizado [4]
Com isso, a partir das tabelas 3 e 4, é possível destacar as adversidades mais prováveis,
em função da composição das cinzas. A obstrução e corrosão dos dutos, juntamente
com a deposição de partículas no fundo do leito (aglomeração), são os principais
desafios a serem evitados, os quais merecem adicional atenção:
• Aglomeração no fundo do leito:
Embora a queima em LF’s em princípio não contenha virtualmente nenhuma
cinza livre, a cinza liberada durante a combustão forma camadas em torno de
partículas inertes (geralmente areia de quartzo), sendo esta a principal razão de
problemas de aglomeração em LF’s [13].
< 𝑠𝑖𝑙𝑖𝑐a > + < a𝑙𝑐a𝑙𝑖 > = < 𝑚𝑖𝑠𝑡𝑢𝑟a 𝑒𝑢𝑡é𝑡𝑖𝑐a 𝑑𝑒 𝑠𝑖𝑙𝑖𝑐a𝑡𝑜 >
2 S𝑖O2 + Na2𝐶O3 = 2NaO . 2 S𝑖O2 + 𝐶O2 [4]
Maior inconveniente encontrado na queima de biomassa, a aglomeração, em casos
extremos, leva ao desligamento não programado da planta. Por isso, é o principal
problema a ser evitado neste processo [13].
É importante ressaltar que, apesar de a temperatura de fusão da sílica ser 1.450°C,
a mistura eutética, silicato, pode fundir a 874°C. Já em sais com potássio, a
13
mistura se funde a 754°C. Esse fato abordado acima é um dos motivadores do
interesse do presente trabalho em se utilizar um ciclo Rankine orgânico (CRO)
para se trabalhar com a queima a temperaturas mais amenas [4][14].
• Obstrução dos dutos:
São depósitos, comumente caracterizados por camadas de materiais (cinzas)
coletadas na superfície dos equipamentos de transferência de calor.
As principais contribuições para tais incrustações provêm da fração inorgânica do
combustível, que é conhecida por causar graves problemas de deposição a
temperaturas moderadas e altas. Compostos alcalinos, tais como potássio e sódio,
são conhecidos por desempenhar um papel importante nos processos de
deposição, dado que, em biomassa, estes metais alcalinos são principalmente
presentes como compostos orgânicos ou simplesmente como sais e, portanto, são
facilmente liberados para a fase gasosa durante a combustão. Eles formam
silicatos alcalinos que se fundem a baixas temperaturas (podendo ser inferiores a
700°C), proporcionando assim uma superfície pegajosa para intensa deposição. A
taxa de deposição de cinzas de biomassa pode facilmente exceder a do carvão
devido ao alto teor de cinzas do combustível [13].
Como consequência, esse fenômeno contribui para a perda de transferência de
calor nos trocadores de calor, redução de temperatura do fluxo de massa do fluido
de trabalho e aumento de temperatura dos metais dos dutos, causando ou
acelerando sua corrosão [4][11][13].
• Corrosão:
Corrosão é a deterioração das propriedades intrínsecas de um material devido a
reações com o seu entorno. Pode ocorrer tanto diretamente por elemento em fase
gasosa, quanto por depósitos [13].
14
O cloro contribui para aumentar o potencial de corrosão a quente, que ocorre em
leitos operando a altas temperaturas e pressões. Este elemento químico reage com
metais alcalinos formando cloro alcalino com baixo ponto de fusão, ocasionando
o mesmo efeito de obstrução e aglomeração, porém, devido à sua presença,
adiciona-se o efeito da corrosão [14].
2.3 Resíduos Agrícolas
2.3.1 Definição
Os resíduos agrícolas compreendem o material resultante das colheitas das culturas e
produções agrícolas. A sua retirada do terreno de cultivo para utilização em outros fins
deve ser realizada de maneira racional, pois quando permanecem na zona de plantio
exercem importante papel agrícola, que serão abordados ao longo desta seção [9].
Estes resíduos são constituídos basicamente das folhas e as hastes das plantas,
comumente chamados de palha e têm um Poder Calorífico Inferior (PCI) médio em
torno de 15,7 MJ/kg de matéria em base seca. A quantidade de resíduos agrícolas pode
ser consideravelmente elevada, representando, em geral, duas vezes mais a do produto
colhido [9].
2.3.2 Aplicações e Utilidades
Historicamente, esses materiais têm tido diversas aplicações e usos: como leitos e
alimentos para animais; como fonte de combustível doméstico e materiais de construção
em muitos países de baixa renda; como excelente substrato para o cultivo de cogumelos;
para a produção de papel; como fontes para extração de compostos orgânicos; ou
simplesmente são queimados ou deixados nos campos [21].
Contudo, como já mencionado, avanços científicos recentes permitem agora que os
produtores transformem resíduos agrícolas em combustíveis à base de biomassa, como
o etanol, ou para usá-los para gerar eletricidade. Em geral, segundo a ficha informativa
da Union of Concerned Scientists [22], “Turning Agricultural Residues and Manure into
15
Bioenergy”, a agricultura americana poderia fornecer até 155 milhões de toneladas de
resíduos para produzir bioenergia em 2030. E por serem subproduto das atuais culturas
primárias, os resíduos podem ser usados para produzir energia sem a necessidade de
expandir a quantidade de agricultura terrestre agora ocupada [22].
Os resíduos também desempenham um papel importante na agricultura, protegendo o
solo contra a erosão e contra a perda de carbono, retendo a umidade do solo em regiões
áridas, além de servir como matéria-prima para o cultivo seguinte. Devem, portanto, ser
utilizados para a bioenergia somente em circunstâncias específicas e, mesmo assim,
apenas em determinadas escalas. A quantidade de resíduos que pode ser retirada
sustentavelmente varia de campo para campo, ou mesmo no próprio campo,
dependendo das condições do solo, a inclinação da terra, das práticas de gestão e do
clima regional, fazendo com que a proporção a ser deixada no campo seja normalmente
entre 30% e 60%. Isto porque a remoção excessiva de resíduos causa problemas (como
o aumento da erosão do solo) enquanto que sua não remoção pode impedir que o solo
venha a secar na primavera, dificultando plantações temporárias ou outras operações de
campo [21][22][23].
2.3.3 Desafios
Devido à baixa densidade mássica e energética dos resíduos agrícolas, o seu transporte
acaba se tornando o maior desafio a ser superado para o seu melhor aproveitamento,
visto que o tempo e energia (e, consequentemente, o custo) investidos para deslocar
grandes quantidades de volume trazem pouco retorno em termos de massa e energia.
Além do transporte, o estoque de resíduos pode se tornar um problema. Dependendo do
volume de matéria-prima envolvida, o seu armazenamento pode ser necessário durante
até seis meses a um ano, podendo estar sujeito a gelo, chuva, neve e/ou umidade.
Embalar fardos grandes e redondos com malha oferece alguma proteção contra os
elementos. O invólucro de malha e as lonas, obviamente, adicionam custos adicionais,
mas a perda de matéria prima evitada pode compensar os custos. O armazenamento
16
interno é outra opção, embora resulte em fardos mais densamente embalados, o que
aumenta o risco de incêndio.
Técnicas de armazenamento inadequadas podem acarretar perda de biomassa
potencialmente significativa. Quanto mais tempo o resíduo permanece em estoque, mais
perdas devido à biodegradação aeróbia ocorrerão. Além disso, se a biomassa for
molhada, também haverá perdas, incluindo a emissão do metano, cujo efeito nocivo ao
meio ambiente no que tange ao efeito estufa é 21 vezes mais elevado do que o CO2,
considerando-se um horizonte de 100 anos. Tais emissões, quando adicionadas à
energia gasta na colheita, coleta e transporte podem resultar em emissões significativas
de gases de efeito estufa. Além de perdas e emissões de matéria-prima, os fardos
úmidos podem aquecer até o ponto em que o fogo se torna uma preocupação realista.
Os problemas apontados nesta seção são grandes motivadores para a utilização dos
resíduos próximos aos locais onde são colhidos, reduzindo o tempo e o custo de seu
aproveitamento, conjuntamente com as vantagens da já citada geração descentralizada
de energia, a qual também seria consumida no local.
2.3.4 Resíduos no Brasil
De acordo com as tabelas 5 e 6, observa-se que em 2010 as principais culturas agrícolas
do país foram, em ordem decrescente de importância, a cana-de-açúcar, a soja, o milho,
a mandioca, a laranja e o arroz, correspondendo a 94% da produção física e 78% da área
utilizada para plantio. Percebe-se ainda que a cana-de-açúcar, sozinha, correspondeu a
75% da produção física, ocupando apenas 14% da área destinada ao plantio,
evidenciando um considerável rendimento médio de 78 toneladas / hectare (enquanto
que a soja, por exemplo, segundo maior produtor nacional, teve um rendimento médio
de 3 toneladas / hectare).
17
Tabela 5 – Série Histórica de Produção por Safras – Brasil (1.000 t/ano) [9]
18
Tabela 6 – Série Histórica de Área Plantada – Brasil (1.000 ha) [9]
Ainda tendo como base as tabelas 5 e 6, o presente trabalho direciona seu foco às
principais lavouras temporárias do país, cuja participação na produção agrícola é
notavelmente maior. A exceção se faz à cana-de-açúcar dada a elevada densidade
energética do bagaço de cana (e, portanto, já há aplicações para esta matéria-prima) e a
alta temperatura de fusão de suas cinzas devido ao seu baixo teor de cinzas básicas
(sódio, cálcio e potássio), permitindo temperaturas muito superiores às das fontes
quentes dos sistemas ORC. Por estes motivos, este resíduo não será tratado no estudo
[24][25]. A partir deste momento, pois, serão analisadas apenas as culturas de soja,
milho, arroz, algodão, feijão, mandioca e trigo.
A tabela 7 indica a produção das referidas lavouras agrícolas no ano de 2015, ano
escolhido como referência para este estudo.
19
Tabela 7 – Quantidade de produto das lavouras primárias produzida em 2015 [26]
Quanto aos seus resíduos agrícolas, objeto de estudo deste trabalho, a sua quantificação
é feita com base em seu índice de produtividade, o qual expressa a relação percentual
entre a quantidade total de resíduos gerados por hectare plantado de uma determinada
cultura e a quantidade de produto economicamente aproveitável [9]. Os diferentes
valores para o índice de produtividade dos resíduos estudados neste trabalho podem ser
observados na tabela 8.
Como já mencionado anteriormente, não se deve retirar todo o resíduo das áreas
plantadas devido à sua utilidade no solo. Essa proporção do quanto é recomendado
retirar é denominada fator de disponibilidade. Já a energia que poderá ser liberada como
forma de calor denomina-se poder calorífico inferior, o qual terá enorme importância
neste estudo. A tabela 8 aponta o poder calorífico inferior, assim como o fator de
disponibilidade dos resíduos analisados neste trabalho.
Tabela 8 – Propriedades de aproveitamento dos resíduos agrícolas [9]
20
Toda a análise realizada neste trabalho se utiliza dos dados das tabelas 7 e 8, que
fornecem, na prática, a quantificação do potencial energético dos respectivos resíduos
agrícolas das produções agrícolas estudadas.
3. Ciclo Rankine Orgânico
3.1 Introdução
O Ciclo Rankine Orgânico (ORC – Organic Rankine Cycle) é uma variante do Ciclo
Rankine a Vapor (SRC - Steam Rankine Cycle), mas que, em vez de operar com a água,
conta com um fluido orgânico para realizar essa transformação de energia, o que exige
ou permite alterações nos equipamentos utilizados ao longo do ciclo, de forma a
beneficiar os aspectos econômicos, técnicos e operacionais.
A figura 3 mostra esquematicamente a configuração do ciclo básico Rankine, seja ele
orgânico ou a vapor:
Figura 3 – Configuração básica de um ciclo Rankine [27]
Enquanto o fluido utilizado pelo ciclo Rankine convencional é o vapor d’água,
conforme mencionado anteriormente, em sistemas ORC, o fluido empregado é
orgânico, podendo ser um hidrocarboneto ou uma gama de diferentes fluidos
refrigerantes, permitindo-se optar pelo que melhor se adequa às demandas do ciclo
projetado [11].
21
Essa diferença fundamental do fluido de trabalho empregado, entretanto, modifica
completamente a sua aplicação. Em razão de estes fluidos orgânicos apresentarem baixo
ponto de ebulição e calor latente de vaporização em relação à água, o seu uso permite
uma evaporação a uma temperatura mais baixa e, consequentemente, um melhor
aproveitamento do calor cedido pela fonte quente [28]. Em outras palavras, a faixa de
temperatura da fonte de calor dentro da qual o sistema ORC opera é de 60°C e 200°C se
estiver trabalhando com fonte de baixa temperatura, podendo atingir 350°C se a fonte
for de média temperatura [29][30].
Por conta dessa grande amplitude de temperaturas admissíveis para o seu
funcionamento, o ciclo ORC vem desempenhando um importante papel em relação a
outras tecnologias de conversão de energia, já que possui uma quantidade considerável
de aplicações, trabalhando em uma extensa gama de potências e em diferentes e
variados regimes [28].
As figuras 4 e 5 mostram a gama de potência (10 kW - 3 MW), a faixa de temperatura
(abaixo de 400°C) e a eficiência (8% - 16%) em que costumam operar as máquinas
térmicas funcionando segundo um ORC.
Figura 4 – Faixas de potência e eficiência típicas de algumas máquinas térmicas [14]
22
Figura 5 – Faixas de potência e temperatura típicas de algumas máquinas térmicas [31]
Nota-se que o fluido orgânico permite ao ciclo operar sob pressões muito inferiores às
do ciclo convencional que emprega vapor d´água (condensando a pressão ambiente, por
exemplo), permitindo, assim, instalações e equipamentos mais simples e baratos, cuja
resistência a altas tensões não se faz necessária.
Em plantas típicas de ciclo Rankine orgânico, dois ciclos térmicos são normalmente
utilizados: ciclo com óleo térmico e o ciclo com o fluido orgânico. O calor dos gases
exauridos da queima do combustível no ciclo primário é transferido para o óleo térmico
que, por meio de um trocador de calor, transfere o calor para o CRO, para que o fluido
orgânico se encontre na configuração de vapor saturado a uma dada pressão na entrada
da turbina e, dessa forma, gerando potência.
A figura 6 esquematiza os ciclos térmicos descritos acima e ilustra os respectivos
estados termodinâmicos no diagrama T-s de cada etapa, na forma mais simples de um
ciclo ORC.
23
Figura 6 – Configuração básica de um ciclo Rankine orgânico [18]
Essa configuração ilustra todo o processo: em um primeiro momento, uma bomba
hidráulica proporciona, isentropicamente, pressão ao fluido, ainda em estado líquido (3-
4), conduzindo-o a um evaporador, onde será aquecido, isobaricamente (4-1), de modo a
tornar-se vapor saturado, isto é, vapor com temperatura igual à sua temperatura de
saturação na pressão em que se encontra. Em seguida, o vapor do fluido neste estado
termodinâmico percorre uma turbina (1-2), gerando nela movimento rotativo,
produzindo, assim, eletricidade, uma vez que a turbina está acoplada a um gerador.
Durante essa etapa, vapor do fluido se expande isentropicamente, reduzindo com isso
sua temperatura e pressão. Finalmente, após atravessar a turbina, o fluido é resfriado
isobaricamente (2-3), por meio de um condensador, o qual retorna o vapor ao estado
líquido, regressando à bomba e reiniciando, assim, o ciclo.
Diferentemente de um ciclo a vapor, as variações da configuração do ciclo Rankine
orgânico são muito limitadas. Por exemplo, a utilização de um reaquecedor na entrada
da turbina não é necessária, visto que a maioria das máquinas ORC utiliza como fluido
de trabalho, fluidos secos. Caso o superaquecimento seja necessário, o fluido orgânico
pode ser aquecido no próprio evaporador antes de ingressar na turbina. O sangramento
da turbina, tecnologia comum em turbinas a vapor, também não é aplicável a instalações
ORC, visto que a turbina destes sistemas tem, na maioria dos casos, somente um estágio
de expansão.
Contudo, apesar das poucas variações necessárias ao ciclo ORC, a instalação de um
recuperador entre a saída da bomba e a saída da turbina é uma prática comum nesse
24
ciclo. Esta tecnologia faz com que o fluido entre no condensador como vapor saturado
(ou mais próximo da condição de saturação), permitindo reduzir a quantidade de calor
necessária para a vaporização do fluido de trabalho (além de reduzir a quantidade de
calor cedida no condensador) e, consequentemente, aumentando a eficiência do ciclo.
Por conta de suas vantagens e do seu relativo baixo custo, além de sua consequente
frequência de uso, foi considerada esta configuração, com a referida tecnologia, para a
elaboração da ferramenta empregada neste trabalho.
Na configuração com recuperador, ilustrado na figura 7, o fluido de trabalho, após sair
da bomba (ponto 4), ingressa no recuperador, onde é preaquecido pelo fluido advindo
da saída da turbina (ponto 2). Em seguida, é encaminhado para o evaporador (ponto 10),
dando continuidade ao ciclo.
Figura 7 – Configuração de um ciclo Rankine orgânico com regenerador [18]
A tabela 9 contém um resumo das funções dos equipamentos, assim como as
transformações ocorridas pelo fluido e a natureza de tais transformações:
25
Tabela 9 – Funções dos equipamentos de um ciclo Rankine orgânico [11]
3.2 Seleção do Fluido de Trabalho
O desempenho de um Ciclo Rankine Orgânico é basicamente condicionado pelo fluido
de trabalho escolhido para a instalação. Sendo assim, a seleção do fluido orgânico tem
extrema importância no tipo e forma de aproveitamento alcançado pelo ORC,
constituindo-se a essência de toda esta tecnologia e assumindo-se como questão chave
para o sucesso deste tipo de ciclo [32].
Ao se selecionar o fluido com o qual a máquina térmica irá operar, pretende-se que ele
maximize a eficiência do ciclo e/ou a potência produzida. Entretanto, a escolha do
fluido não se resume tão somente às avaliações técnicas e termodinâmicas. Além das
análises referidas, também são avaliados os riscos ambientais, as questões de segurança
e de saúde pública, além dos aspectos econômicos, tornando todo o processo de seleção
muito mais criterioso e fundamentado [28].
Tendo todas estas considerações em mente, cabe uma avaliação mais detalhada das
características do fluido sob esses diferentes aspectos, que deve ser levada em conta, a
fim de se selecionar o(s) fluido(s) mais adequado(s) para cada aplicação.
26
3.2.1 Propriedades Termodinâmicas
A seleção do fluido de trabalho com o qual o ciclo irá operar se dá primordialmente
pelas suas propriedades termofísicas, visto que tem grande influência em seu
rendimento.
A sua principal característica envolve o tipo de perfil da sua curva de vapor saturado em
um gráfico que relaciona a temperatura com a entropia. Levando em consideração a
variação de temperatura em função da variação de entropia (dT/ds), é possível observar
três categorias de fluido, conforme demonstrado na figura 8.
Figura 8 – Tipos de perfil das curvas de vapor saturado para diferentes fluidos [14]
Fluido isentrópico: possui sua derivada (dT/ds) infinita na região de vapor
saturado e o vapor se expande ao longo de uma linha vertical no diagrama T-s.
Mais especificamente, o vapor saturado na entrada da turbina permanece
saturado ao longo da expansão, até sua saída, não ocorrendo a sua condensação
nem tampouco o seu superaquecimento [8].
Fluido úmido: possui sua derivada (dT/ds) negativa na região de vapor saturado
e o vapor se condensa ao longo de sua expansão. Para contornar esse fenômeno,
o qual ocasionaria eventuais danos ao equipamento por erosão devido a uma
considerável quantidade de partículas em forma líquida, faz-se necessário o
superaquecimento do vapor na entrada da turbina. Isto ocorre, por exemplo, com
27
ciclos Rakine convencionais, que empregam a água como fluido de trabalho, que
se enquadra nesta categoria [14].
Fluido seco: possui derivada (dT/ds) positiva na região de vapor saturado e o
vapor saturado torna-se superaquecido durante a sua expansão. É o caso dos
fluidos orgânicos empregados nos ciclos Rankine orgânicos, os quais não
apresentam o risco de erosão na turbina devido ao estado superaquecido em sua
saída [14]
Além do perfil da curva de saturação, a massa específica também é um parâmetro
fundamental, especialmente para fluidos com baixa pressão de condensação. A baixa
densidade implica uma alta vazão volumétrica, o que aumenta a perda de carga nos
trocadores de calor, o tamanho e o custo da máquina de expansão. Já a baixa
viscosidade, tanto na fase gasosa quanto na fase líquida, é fundamental para otimizar as
trocas de calor no ciclo e para reduzir as perdas de carga por atrito nos trocadores de
calor [15].
Ademais, ao contrário da água, fluidos orgânicos apresentam, em geral, problemas a
altas temperaturas, em que eles se decompõem ou deterioram. Deve ser escolhido,
portanto, um fluido que suporte as temperaturas e pressões de operação em todos os
processos do ciclo. Além disso, a substância orgânica deve manter-se fluida nas
temperaturas mais baixas do ciclo – na temperatura ambiente – para evitar o seu
congelamento [18].
Além das características essências supracitadas, outras propriedades muito importantes
devem ser consideradas para a seleção do fluido, a fim de se aumentar a eficiência e
reduzir eventuais complicações [11][33][34]:
A temperatura crítica do fluido de trabalho deve ser maior que a maior
temperatura de operação do ciclo, visando minimizar a irreversibilidade gerada
durante a transferência de calor em uma diferença finita de temperatura no ciclo.
28
A pressão de condensação do fluido de trabalho deve ser maior que a pressão
atmosférica para que não haja penetração de ar para dentro do sistema.
O ponto triplo do fluido deve ser menor que a temperatura ambiente mínima
para assegurar que os fluidos de trabalho não venham a se solidificar em
nenhuma condição de operação ou durante o desligamento do ciclo.
No diagrama T-s, a curva de vapor saturado do fluido deve ser próxima da
vertical para que seja evitado superaquecimento excessivo na saída da turbina, o
que configuraria uma grande perda exergética.
A densidade do fluido de trabalho na entrada da turbina deve ser alta para que a
turbina atenda às pequenas dimensões e de forma a compensar o reduzido salto
entálpico específico do turbo-expansor.
O parâmetro de coeficiente de transferência de calor por convecção deve ser alto
devido às trocas de calor por convecção ocorridas nos trocadores de calor do
ciclo; o coeficiente é mais alto à medida que se eleva a condutividade térmica e
se reduz a viscosidade do fluido (a viscosidade na forma líquida e vapor dos
fluidos de trabalho deve ser baixa para minimizar quedas de pressão).
Os fluidos orgânicos não devem ser corrosivos para a maioria dos materiais
utilizados para os diferentes componentes do ciclo CRO, como dutos, turbina,
trocadores de calor e selos.
O fluido orgânico deve ser térmica e quimicamente estável ao operar em todas
as temperaturas e pressões do ciclo.
Nota-se, portanto, que a seleção do fluido não é um processo simples e muito menos
óbvia, visto que nenhum fluido satisfaz a todos esses requisitos. Além disso, são
medidas quantitativas e não qualitativas, ou seja, diferentes fluidos podem satisfazer a
certas condições, mas em níveis distintos.
29
3.2.2 Saúde, Segurança e Impacto Ambiental
Além das propriedades termofísicas, que influenciam no desempenho técnico e
operacional, deve-se sempre levar em conta os impactos que os fluidos podem gerar ao
meio ambiente e à saúde a quem estiver exposto a eles.
O principal empecilho ao uso de uma grande quantidade de compostos orgânicos é o
impacto que causam na camada de ozônio. Algumas substâncias empregadas
principalmente como refrigerantes estão atualmente proibidas na utilização e produção,
exceto para aplicações especiais, como na indústria médica [27].
O critério para determinar a capacidade de uma substância de destruir a camada de
ozônio é chamado de ODP (Ozone Depletion Potential). A medida padrão é o potencial
destrutivo do R-11, igual a 1. O valor de 0 significa nenhum dano provocado ao ozônio,
portanto, quanto menor o ODP menos nociva é a substância à camada de ozônio
[27][35]. A Tabela 10 exibe o ODP de alguns fluidos orgânicos.
Tabela 10 – Custo e índices de impacto ambiental e segurança de alguns refrigerantes [32]
O parâmetro que determina o quanto uma determinada quantidade de gás contribui para
o aquecimento global é o GWP (Global Warming Potential). É uma medida relativa que
compara o gás em questão com a mesma massa de dióxido de carbono, cujo GWP é
igual 1 [27][35]. A Tabela 10 exibe o GWP de alguns fluidos orgânicos.
Além dos efeitos nocivos ao meio ambiente, os efeitos nocivos à saúde também devem
ser considerados. Por isso, o fluido de trabalho de um ciclo Rankine orgânico não deve
30
ser corrosivo, tóxico ou inflamável, nem deve apresentar índices de autoignição
elevados. Estas características são fundamentais para garantir a segurança, não só dos
envolvidos na operação do sistema, como de todos os que vivem próximo à instalação
[27].
A classificação de segurança ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating,
And Air-Conditioning Engineers) dos refrigerantes é o indicador utilizado para medir o
nível de periculosidade [27][30]. A Tabela 10 exibe o índice de segurança de alguns
fluidos orgânicos.
3.2.3 Disponibilidade e Custos
Finalmente, ao se selecionar o fluido a ser empregado, deve-se optar por fluidos
disponíveis no mercado, preferencialmente por fluidos amplamente difundidos. Além de
facilitar a busca em si pelo fluido, produtos produzidos em larga escala são em geral
menos custosos. Além disso, fluidos extensivamente usados são também preferíveis
devido à compatibilidade e adequação dos equipamentos empregados em conjunto com
eles. A Tabela 6 mostra os custos de alguns fluidos orgânicos [27].
3.3 Pentano
Com foco nas propriedades abordadas, o presente trabalho simula, avalia e dá especial
atenção a sistemas ORC operando com o pentano por conta da disponibilidade de suas
tabelas termodinâmicas e por sua ampla utilização no mercado. Por essa razão, vale
destacar suas principais características e propriedades, as quais serão descritas ao longo
desta seção.
O pentano é um hidrocarboneto com 5 carbonos e 12 hidrogênios, cuja fórmula química
é C5H12. Existem três isômeros do pentano: o n-pentano (IUPAC: pentano), o iso-
pentano (IUPAC: metil butano) e o neo-pentano (IUPAC: dimetil propano) [37].
31
Este hidrocarboneto tem aparência líquida e incolor e seus pontos de ebulição, fusão e
fulgor são de 36,1°C, -129,8°C e -49°C, respectivamente. Ademais, a sua massa
molecular é de 72,15 g/mol, enquanto que sua densidade é, em seu estado líquido, 0,626
g/cm³ e sua solubilidade tem o valor de 0,01 g/100 mL (20°C) [36].
O pentano possui ótimas vantagens para o seu uso como líquido de trabalho em um
ciclo Rankine orgânico. Sua curva T-s apresenta a expansão seca, que evita a
condensação dentro da turbina. Ele também é de fácil obtenção e baixa viscosidade,
tendo baixas perdas de carga em tubulações, evaporador, condensador e bomba. Além
disso, entre os fluidos mais estudados para este tipo de ciclo, o pentano possui um dos
melhores rendimentos líquidos [18].
Contudo, no que diz respeito aos fatores de risco à saúde e ao meio ambiente, o pentano
é um fluido a que deve ser dada sua devida atenção, pois além de altamente inflamável,
a exposição ao produto acarreta graves consequências.
Segundo a FISPQ - Ficha de Informação de Segurança de Produto Químico, da
Refinaria de Petróleo Rio-grandense, as principais possíveis consequências à saúde de
quem está exposto ao produto são [37]:
• Inalação: a inalação de vapores pode provocar sonolência, vertigem, irritação
no trato respiratório, náuseas, vômitos e perda de consciência. Exposições
repetidas e prolongadas a elevadas concentrações de vapor podem produzir
danos no sistema nervoso central;
• Ingestão: se ingerido pode causar dano pulmonar. A aspiração aos pulmões
pode causar pneumonite;
• Pele: a exposição repetida pode provocar secura ou formação de rachaduras
na pele;
• Olhos: a exposição a vapores ou ao líquido pode causar irritação, dor e
vermelhidão.
32
O pentano também representa riscos ao meio ambiente. Ainda de acordo com o mesmo
documento, seus efeitos são [37]:
• Ar: os vapores do produto tornam o ambiente extremamente explosivo e são
prejudiciais ao meio ambiente;
• Água: sua volatilização do curso d´água deverá ser rápida. O produto e a
água resultante do combate ao fogo e de diluição podem transmitir
qualidades a água que limitam o seu uso e, por isso, também são prejudiciais
à fauna e à flora aquática;
• Solo: o produto derramado sobre o solo na maior parte evaporará, porém em
parte poderá percolar e contaminar o lençol freático. O produto é
biodegradado no solo.
Por conta desses riscos, a classificação do pentano é: Extremamente inflamável (F+),
Nocivo (Xn) e Perigoso para o ambiente (N) e suas frases de risco e segurança são:
Frases de Risco:
R – 12 = Extremamente inflamável.
R—65 = Nocivo, se ingerido pode causar dano pulmonar
R- 66= A exposição repetida pode provocar secura ou formação de rachadura na pele.
R-67= A inalação de vapores pode provocar sonolência e vertigem.
R51/53= Tóxico para os organismos aquáticos, pode provocar, a longo prazo, efeitos
negativos ao ambiente aquático.
Frases de Segurança:
S – 9 = Conservar o recipiente em local bem ventilado
S – 16 = Manter afastado de qualquer chama ou fonte de faísca. Não fumar.
33
Por conta dessa classificação e conforme já observado na seção 2.3 deste trabalho, o
pentano normalmente não se mostra a escolha mais adequada como fluido de trabalho
para as aplicações da tecnologia ORC, apesar de suas vantagens termofísicas detalhadas
anteriormente.
De fato, o fluido que mais tem sido utilizado em aplicações com biomassa é o
Octametiltrisiloxano (OMTS) [1028]. No entanto, estudos [34] revelam que as
eficiências térmica e global do sistema são relativamente baixas quando o OMTS é
utilizado nessas aplicações.
Como consequência, devem ser definidos fluidos de trabalho mais adequados, levando
em consideração a disponibilidade de fontes de calor de alta temperatura [38]. Nesse
sentido, o presente trabalho analisa o comportamento de um ciclo ORC operando com o
pentano (apesar do relativamente alto grau de risco à saúde e ao meio ambiente), a fim
de se avaliar sua aplicabilidade e valia em sistemas que dispõem da combustão de
biomassa como fonte de calor.
3.4 Comparação entre Ciclo Rankine Orgânico e Ciclo Convencional a
Vapor
Como exposto anteriormente, a grande diferença entre o Ciclo ORC e um ciclo Rakine a
vapor se dá pelo fluido de trabalho. Ao contrário do ciclo a vapor, que emprega, como o
nome sugere, vapor d´água, o ciclo orgânico se utiliza de fluidos orgânicos,
normalmente hidrocarbonetos ou refrigerantes [10].
A figura 9 ilustra o perfil de saturação em um diagrama T-s de alguns dos fluidos mais
utilizados em ciclos Rankine orgânicos, juntamente com o da água.
34
Figura 9 – Curvas de saturação da água e de alguns fluidos refrigerantes [8]
Essa única variação resulta em muitas outras diferentes características e aplicações entre
os sistemas, fazendo com que o Ciclo ORC apresente vantagens e desvantagens em
relação ao ciclo Rankine a vapor ou outras máquinas térmicas.
Superaquecimento: conforme mencionado anteriormente, os fluidos orgânicos mantêm-
se superaquecidos à medida que ocorre a expansão na turbina, dessa maneira o
superaquecimento do fluido não é requerido, ao contrário do que ocorre em ciclos
Rankine convencionais. A ausência de fluido na fase de mistura saturada também reduz
de maneira eficaz a corrosão nas pás da turbina, o que aumenta a vida útil dessas pás
para 27-30 anos em vez de 15-20 anos, como nas turbinas convencionais [11].
Temperatura na entrada da turbina: devido ao fato de que o ORC opera a temperaturas
mais baixas do que as do ciclo convencional, a temperatura de entrada da turbina é
menor do que a do ciclo convencional. Tal fato reduz as tensões térmicas nas pás da
turbina, logo simplificando seu projeto. Esta é uma vantagem para aplicações em áreas
remotas do Brasil [11].
Projeto da turbina: turbinas operando em um ciclo Rankine convencional trabalham
com uma maior queda entálpica do fluido de trabalho, o que usualmente leva à
35
necessidade de mais de um estágio de expansão na turbina, aumentando a sua
complexidade, tempo de manutenção e tamanho. Como o ORC opera com quedas
entálpicas menores, torna-se viável a utilização de apenas um estágio operando a
menores rotações. Este fato, além de reduzir tensões de fadiga do material, permite o
acoplamento diretamente ao gerador, tornando desnecessário um redutor de velocidades
[11].
Caldeira: como o ORC trabalha a menores temperaturas do que o ciclo tradicional, a
caldeira está sujeita a menos tensões térmicas. Logo, a caldeira pode possuir menores
dimensões ao ser comparada com as do ciclo tradicional [11].
Temperatura de evaporação: devido ao fluido de trabalho do ORC possuir menor
temperatura de ebulição, favorece-se a utilização de uma maior gama de fontes de calor
a menores temperaturas [11]. Além disso, pode-se garantir que a combustão da
biomassa não levará a temperaturas acima daquela de fusão das cinzas.
Estas vantagens técnicas resultam em conveniências operacionais, muitas delas
essenciais ao favorecimento desta tecnologia na agroindústria, em zonas rurais do
Brasil. Por conta disso, vale enumerar todos os benefícios, de forma geral e resumida
[27] [14] [10] [18] [11] [39]:
• Baixa perda de eficiência em regime de carga parcial (até 10% de sua carga
nominal) e boa resposta no arranque do ciclo, devido à ampla faixa de
temperatura do fluido de trabalho permitida ao seu funcionamento;
• Bom rendimento, mesmo a baixas temperaturas;
• Extremamente elevado rendimento da turbina;
• Reduzida fadiga mecânica dos componentes da turbina devido à menor
velocidade de rotação do rotor;
36
• Menor velocidade de rotação das turbinas permite o acoplamento direto de
um gerador sem redutor;
• Expansão seca;
• Reduzida erosão das pás da turbina devido à expansão seca;
• Ausência de problemas de corrosão devido à característica não corrosiva do
fluido;
• Operação automática de inicialização e desligamento;
• Operação totalmente automática com baixos custos de manutenção e
operação;
• Temperatura e pressão máximas mais baixas (de aproximadamente 300ºC e 1
MPa, respectivamente);
• Período de vida útil alargado;
• Instalação econômica;
• Solução construtiva compacta, robusta e confiável;
• Baixa emissão de ruídos;
• Não é necessário sistema de tratamento de água;
• Ausência de necessidade de pessoal qualificado para operar o sistema,
significando também que clientes com baixa capacitação técnica possam
avaliar o investimento com facilidade.
37
Vantagens como o bom funcionamento em regime parcial (devido à sazonalidade das
produções agrícolas), o bom rendimento operando em baixas temperaturas, a redução de
desgastes físicos e mecânicos (diminuindo a necessidade de sua manutenção e
aumentando sua vida útil), a sua simplicidade (reduzindo o custo de instalação, e
operação) e o seu reduzido tamanho (principalmente se comparado a usinas a vapor)
tornam esta tecnologia excelente para instalações locais baseadas em resíduos agrícolas.
Contudo, apesar de todas as vantagens supracitadas, nem sempre esta tecnologia se
mostra mais adequada a determinadas aplicações, justificando o emprego do ciclo
convencional em muitos outros casos. As principais vantagens dos ciclos a vapor
relativamente ao ORC são:
• Consumo da bomba: a diferença de entropia entre o líquido saturado e o
vapor saturado é muito menor para fluidos orgânicos, consequentemente, a
entalpia de vaporização também é menor. Assim, para uma mesma carga
térmica no evaporador, a vazão mássica do fluido orgânico deve ser maior
que a da água, o que conduz a um maior consumo de potência pela bomba
[27];
• Eficiência: a eficiência dos ciclos Rankine orgânicos em alta ou baixa
temperatura não excede 24%. Já os ciclos Rankine tradicionais apresentam
uma eficiência térmica maior que 30%, mas com configuração mais
complexa em termos de tamanho e número de componentes [27] [8].
• Características do fluido: a água como fluido de trabalho é muito
conveniente quando comparada aos fluidos orgânicos. Apresenta bom custo-
benefício e alta disponibilidade, é um fluido não tóxico, não inflamável e
não nocivo ao meio ambiente, é estável quimicamente e possui baixa
viscosidade [27] [32].
Em função do exposto acima, a escolha da tecnologia a ser empregada para a obtenção
de eletricidade a partir de uma fonte de calor deve levar em conta as peculiaridades de
cada uma, tendo como fator de restrição a temperatura disponível da fonte quente, a
potência a que se visa gerar e o montante disponível para investimento.
38
Em geral, o ORC se mostra mais adequado para aplicações de baixa e média potência,
tipicamente menores do que 3 MWel, visto que plantas de pequena escala requerem
componentes simples e de baixo custo e operação automatizada. Para potências mais
elevadas, o ciclo a vapor se torna mais vantajoso [27]. A tabela 11 sintetiza as vantagens
citadas de cada ciclo.
Tabela 11 – Comparação entre os ciclos Rankine orgânico e a vapor [27]
3.5 Fontes de Calor do ORC
Conforme já mencionado, a tecnologia ORC se mostra uma excelente alternativa para
gerar energia a partir de uma fonte de calor a baixa temperatura, não tendo de fato uma
restrição quanto à sua proveniência. Em função disso, essa tecnologia tem quatro
diferentes grandes áreas de aplicação, sempre aproveitando calor a baixas temperaturas:
a biomassa, energia geotérmica, energia solar e o calor residual de processos industriais
(Waste Heat Recovery - WHR).
Biomassa:
A biomassa é um recurso de energia renovável perfeitamente adaptado à
produção combinada de energia sob a forma de calor e eletricidade em pequena
escala. Encontra-se disponível em processos agrícolas e industriais e em
resíduos urbanos. A principal vantagem da construção de plantas ORC -
39
biomassa reside no potencial energético e na grande disponibilidade dos
resíduos de biomassa em nível mundial.
O calor da combustão é transferido dos gases de exaustão para o fluido
intermediário (óleo térmico) por meio do trocador de calor, sob uma temperatura
que varia entre 150 e 320°C. O óleo térmico é então direcionado ao loop ORC
para evaporar o fluido de trabalho a uma temperatura um pouco inferior a 300°C
[14][27]. A figura 10 esquematiza o ciclo ORC – biomassa.
Figura 10 – Configuração de um ciclo Rankine orgânico – biomassa [40]
Energia Solar:
É a energia térmica sob a forma de radiação advinda da luz emitida pelo sol.
Essa energia, quando chega à superfície terrestre, tem um valor aproximado de
750 W/m2. Mesmo com uma elevada quantidade de energia solar disponível, a
quantidade de energia elétrica gerada a partir de luz solar é muito pequena
quando comparada ao consumo de energia mundial [14][27][35][41].
A concentração de energia solar é uma tecnologia já testada e comprovada: o Sol
é monitorado, a luz solar é concentrada através de espelhos ou lentes num
coletor linear ou pontual, transferindo-se o calor para um fluido que, em seguida,
será utilizado no ciclo de produção de energia elétrica. Os captadores mais
utilizados são os concentradores parabólicos, os concentradores lineares, os
40
sistemas de recepção central (torres solares) e os discos parabólicos
[14][27][35][41]. A figura 11 esquematiza o ciclo ORC – energia solar.
Figura 11 – Configuração de um ciclo Rankine orgânico – energia solar [27]
Energia Geotérmica:
É a energia subterrânea emitida a partir do centro da Terra. Seu aproveitamento
para os processos de aquecimento e/ou eletricidade se dá por meio do fluido
geotérmico (predominantemente composto por água), o qual é bombeado direta
ou indiretamente ao evaporador, onde aquecerá o fluido orgânico [27].
A temperatura da Terra aumenta com o aumento da profundidade. Próximo à
superfície, o gradiente geotérmico médio é cerca de 25°C/km. O fluxo de calor
da Terra varia de um lugar para outro na superfície, e com o tempo num
determinado local [41].
Fontes de calor geotérmicas estão disponíveis em uma ampla gama de
temperaturas, de algumas dezenas de graus até 300°C. O atual limite tecnológico
inferior para geração de energia é cerca de 80°C: Abaixo dessa temperatura, a
eficiência de conversão torna-se muito pequena e usinas geotérmicas passam a
não ser rentáveis economicamente [8][27][41]. A figura 12 ilustra o ciclo ORC –
energia geotérmica.
41
Figura 12 – Configuração de um ciclo Rankine orgânico – energia geotérmica [27]
Calor Residual de Processos Industriais:
O calor residual é o calor gerado durante o processo de combustão ou qualquer
outro processo térmico/químico, que é rejeitado diretamente para atmosfera. Os
processos industriais, bem como motores térmicos e equipamentos mecânicos
produzem grandes quantidades de calor residual [27].
Alguns segmentos industriais apresentam particularmente um alto potencial para
a recuperação de calor residual. Dentre eles, está a indústria de cimento, na qual
40% do calor é perdido nos gases de exaustão. Estes gases são liberados nos
processos de preaquecimento do calcário e na produção de clínquer, com uma
temperatura que varia entre 215 e 730°C. Além das cimentarias, as siderúrgicas,
as indústrias de ferro, as refinarias e as indústrias químicas também são fortes
candidatas à implantação de sistemas de recuperação de calor residual
[6][27][32]. A figura 13 ilustra o ciclo ORC utilizando-se do calor residual de
processos industriais.
42
Figura 13 – Configuração de um ciclo Rankine orgânico – calor residual de processos
industriais [27]
4. Ferramenta de Análise Técnica do Ciclo
4.1 Configuração do Ciclo
Nesta seção, pretende-se explicar e fundamentar todas as formulações consideradas,
bem como critérios e decisões tomadas relativamente a cada um dos parâmetros
envolvidos, que sustentam o modelo matemático que simula o desempenho do ciclo de
Rankine orgânico.
Para a formulação do ciclo, introduziu-se o conceito de rendimento isentrópico dos
equipamentos, a fim de avaliar o desempenho do ciclo de forma mais precisa, uma vez
que existem irreversibilidades em cada um dos processos termodinâmicos, tais como
expansão não-isentrópica (na turbina) e compressão não-isentrópica (na bomba). Além
disso, levaram-se em conta as perdas de calor no sistema, cedido ao ambiente, durante
as trocas térmicas no evaporador, no condensador e na caldeira, além de perdas
mecânicas no gerador acoplado à turbina. Por fim, desprezaram-se as perdas de carga
nos tubos, além das perdas de calor para o ambiente na turbina, na bomba e no
regenerador.
Ao longo deste trabalho, foi considerado o arranjo do ciclo ORC mais utilizado e
comercializado no mercado, que é o arranjo simples acrescido de um recuperador. O
43
incremento deste equipamento no ciclo tem ótima relação custo-benefício, tornando a
escolha adequada e contextualizada. A figura 14 representa a disposição implantada.
Figura 14 – Modelo Utilizado do Ciclo e sua Composição [27]
A vantagem da utilização de um recuperador se deve pela sua capacidade de aumentar a
eficiência do ciclo. Isto se explica pela equação da eficiência térmica do ciclo:
ɳ𝑡ℎ = 𝑊𝑙𝑖𝑞
𝑄𝑒
Por definição, em um ciclo termodinâmico, o trabalho líquido gerado (ou consumido) é
igual ao calor líquido absorvido (ou cedido). Ou seja,
𝑊𝑙𝑖𝑞 = 𝑄𝑙𝑖𝑞 = 𝑄𝑒 − 𝑄𝑠
A equação da eficiência pode ser expressa, portanto, da seguinte forma:
ɳ𝑡ℎ =𝑄𝑒 − 𝑄𝑠
𝑄𝑒= 1 −
𝑄𝑠
𝑄𝑒
44
Através do recuperador, o fluido na saída da turbina cede calor ao fluido na saída da
bomba de tal forma que o calor do sistema é reaproveitado no ciclo, reduzindo seu valor
rejeitado ao ambiente pelo condensador. Em outras palavras, pela equação da eficiência,
o recuperador reduz o valor de Qs para um mesmo valor de Qe, reduzindo o módulo da
parcela que está sendo subtraída, aumentando, assim, o valor da eficiência.
4.2 Modelo Matemático
Com o intuito de contabilizar as irreversibilidades e obter um rendimento global do
ciclo mais realista, introduziu-se nos cálculos o rendimento isentrópico da turbina
(ɳturbina) e da bomba (ɳbomba), conforme equacionado abaixo.
ɳ 𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎 =ℎ3 − ℎ4
ℎ3 − ℎ4𝑠
ɳ 𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎 =ℎ2𝑠 − ℎ1
ℎ2 − ℎ1
onde o índice s se refere ao valor da entalpia isentrópica, ou seja, a entalpia ideal, obtida
caso não haja perdas ao longo do processo. A figura 15 ilustra bem a diferença entre os
processos de expansão isentrópica e expansão com irreversibilidades.
45
Figura 15 – Configuração e diagrama T x s do Ciclo Rankine simples [32]
4.3 Ferramenta Desenvolvida
Com o propósito de estudar aparelhos operando sob o ciclo ORC empregando o pentano
como fluido de trabalho e combustão de biomassa como fonte de calor, foi elaborada
uma ferramenta computacional, em Microsoft Excel, que simula o ciclo sob diferentes
condições definidas pelo usuário. O software foi escolhido por se tratar de um programa
capaz de realizar operações complexas de maneira simplificada, com interface amigável
ao usuário, por ocupar pouca memória em relação a outras plataformas e,
principalmente, por ser amplamente difundido no mundo, podendo ser utilizado
facilmente.
Vale ressaltar, no entanto, que, devido à função “Interpolar” criada no trabalho, o
usuário deverá sempre habilitar Macros ao abrir o arquivo a fim de garantir o seu
completo funcionamento.
O arquivo possui 21 abas ocultas, auxiliares para cálculo, e duas abas visíveis ao
usuário, onde os dados de entrada serão inseridos e os resultados serão exibidos ao
usuário. Estas abas são:
“Etapa 1 Análise do Ciclo ORC”
46
“Etapa 2 Análise do Ciclo Geral”
As próximas sessões descreverão detalhadamente as funções dessas abas, a importância
de cada um dos dados de saída gerados pela ferramenta e os cálculos feitos para obtê-
los.
4.3.1 Aba “Etapa 1 Análise do Ciclo ORC”
4.3.1.1 Guia ao Usuário
Nesta aba, o usuário obterá os valores das propriedades intensivas do fluido
atravessando os diferentes estágios do ciclo ORC. Para isto, deverá apenas fornecer as
condições sob as quais o ciclo ORC irá operar, definindo apenas algumas variáveis e
atribuindo valores de sua escolha. Todos os outros valores serão gerados a partir dos
condicionantes iniciais. As variáveis que deverão ser definidas pelo usuário são:
Eficiência Isentrópica da bomba;
Eficiência Isentrópica da turbina;
Temperatura a que está submetido o pentano ao entrar na turbina;
Pressão a que está submetido o n-pentano ao entrar na turbina;
Pressão a que está submetido o n-pentano ao sair da turbina.
A figura 16 relaciona os seis estados termodinâmicos em que o fluido se encontra, ao
longo dos diferentes estágios do ciclo, com os números 1, 2, 3, 4, 5 e 6, enquanto a
figura 17 retrata a interface de como os valores de entrada listados acima estarão
dispostos ao usuário:
47
Figura 16 – Mapeamento dos seis estados termodinâmicos existentes durante o ciclo
Rankine orgânico [42]
Figura 17 – Aba “Etapa 1 Análise do Ciclo ORC” – interface dos campos de entrada
A possibilidade de arbitrar valores para os rendimentos da turbina e bomba, assim como
decidir os valores para as pressões em que o ciclo opera, se deve ao fato de sistemas
ORC possuírem característica modular, ou seja, o ciclo não é fixo e os equipamentos
podem ser acoplados/desacoplados com facilidade, permitindo, assim, sua substituição e
consequente alteração de suas características.
Já o valor da temperatura está relacionado à quantidade e ao poder calorífico da
biomassa que entra em combustão na caldeira e às vazões dos fluidos de trabalho, que
favorecerão ou não a troca térmica entre eles.
Ao longo deste trabalho, foi considerado o arranjo mais utilizado no mercado, que é o
arranjo simples acrescido de um recuperador. Como já discutido, a adição deste
equipamento traz vantagens ao ciclo.
48
Vale ressaltar, no entanto, que os campos de entrada não são independentes entre si,
estando alguns deles condicionados aos que foram inseridos anteriormente a eles. Por
essa razão, devem ser preenchidos na ordem em que se encontram. O intervalo
permitido ao valor de temperatura do estado 4, por exemplo, depende dos outros quatro
campos, para poder ser definido pelo usuário da ferramenta. Tal intervalo não é trivial: é
variável em função das propriedades do fluido (n-pentano) e das condições impostas
pelo usuário. O limite inferior do intervalo corresponde à temperatura de vapor saturado
na alta pressão, valor abaixo do qual o estado 4 não deve estar contido; o limite superior
do intervalo é definido em função da temperatura de líquido saturado, valor acima do
qual o ponto 3 não deve estar contido, após a troca térmica no regenerador entre o fluido
no estado 2 e o fluido no estado 5.
Por essa razão, após a definição da alta e baixa pressão do ciclo, o intervalo é
automaticamente explicitado pela ferramenta ao usuário para auxiliá-lo no momento da
escolha do valor dessa temperatura, conforme ilustrado na figura 18:
Figura 18 – Aba “Etapa 1 Análise do Ciclo ORC” – Guia para intervalo aceitável para T4
Uma vez definidos os valores acima, a planilha gera os estados termodinâmicos (isto é,
a pressão, temperatura, entropia e entalpia) de todos os pontos do ciclo e, por meio
dessas informações, calcula ainda o trabalho líquido específico do ciclo e sua eficiência.
A figura 19 ilustra um exemplo da disposição dos resultados obtidos, apenas com o
preenchimento dos campos ilustrados na figura 18:
49
Figura 19 – Aba “Etapa 1 Análise do Ciclo ORC” – Interface dos campos de saída
Ressalta-se que os dados de saída ilustrados neste exemplo são gerados a partir dos
valores inseridos na figura 18 e, para o campo referente à temperatura do estado 4, foi
atribuído o valor de 170°C, dentro do intervalo permitido.
Vale salientar, ainda, que estas operações são feitas a partir de tabelas de saturação e de
vapor superaquecido do pentano. A partir destas tabelas, as quais estão contidas em abas
ocultas da planilha, o arquivo “encontra” o valor correspondente e o utiliza para realizar
os cálculos necessários.
Além disso, graças à nova função “Interpolar” criada em macros, é permitido ao usuário
inserir na entrada quaisquer valores de pressão e temperatura – desde que dentro do
intervalo permitido – e não apenas os contidos nas tabelas, dando assim liberdade e
50
facilidade de o usuário lidar com os valores exatos que desejar, e ainda sem a
necessidade de interpolar manualmente.
A presente aba gera, também, automaticamente, o gráfico (s x T), o qual posiciona os
diferentes estados do ciclo. A figura 20 ilustra o ciclo em torno da curva de saturação,
auxiliando a visualização e o entendimento quanto ao que está ocorrendo e quanto a
possíveis melhorias a serem feitas, já que é viável e simples comparar o comportamento
do gráfico para diferentes dados de entrada. O gráfico da figura em questão também é
gerado apenas com os valores preenchidos na figura 17:
Figura 20 – Aba “Etapa 1 Análise do Ciclo ORC” – Curva de saturação e gráfico do ciclo
ORC
Assim como na figura 19, o gráfico é gerado a partir dos valores inseridos na figura 18
e, para o campo referente à temperatura do estado 4, foi atribuído o valor de 170°C,
dentro do intervalo permitido.
Visando a uma interface mais amigável, os campos de entrada e saída estão dispostos
em locais separados, embora ainda na mesma aba. Além disso, para facilitar ainda mais
a visualização, foram distinguidos por cores diferentes, de acordo com a figura 21:
51
Figura 21 – Aba “Etapa 1 Análise do Ciclo ORC” – Legenda
Por fim, a aba fornece ao usuário a maior eficiência possível a ser alcançada com o
arranjo considerado neste estudo, além de fornecer os valores de entrada necessários
para atingi-la, conforme apresentado na figura 22. Cabe salientar que, como a tabela tem
por objetivo informar a máxima eficiência possível, foi considerada eficiência de 100%
tanto para a bomba quanto para a turbina.
Figura 22 – Aba “Etapa 1 Análise do Ciclo ORC” – Máxima eficiência possível
4.3.1.2 Equacionamento Básico da Ferramenta
Para se atingir os resultados obtidos na figura 19, foi realizado o balanço de energia do
ciclo proposto. Os valores encontrados no estado 1 levaram em conta a pressão baixa do
ciclo – pressão em que se encontra o fluido antes de percorrer a bomba – e assumiu-se
que o fluido é líquido saturado nesse momento. A partir da tabela de saturação do n-
pentano, é possível encontrar todas as propriedades intensivas (entalpia específica,
volume específico, entropia específica, temperatura) referentes à pressão fornecida.
Quanto ao estado 2, o cálculo é feito a partir do trabalho de compressão realizado pela
bomba, que é calculado a partir da eficiência da bomba (ɳbomba) e do trabalho de
compressão isentrópica, ou seja, compressão sem perdas devido à irreversibilidades do
processo:
𝑤𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎 =𝑤𝑠 , 𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎
ɳ𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎
52
Este trabalho de compressão isentrópica leva em conta a pressão que é incrementada ao
fluido e o seu volume específico, pela seguinte equação:
𝑤𝑠 , 𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎 = 𝑣1(𝑃2 − 𝑃1)
A partir da Primeira Lei da Termodinâmica, ou seja, da conservação da entalpia,
obtemos o estado 2. Em outras palavras, somando-se a entalpia do estado 1 e o trabalho
fornecido ao fluido obtém-se a entalpia do estado 2, conforme a equação abaixo:
ℎ2 = ℎ1 + 𝑤𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎
Como é fornecido o valor da pressão do estado 2 (pressão alta do ciclo), é possível
encontrar, por interpolação, todas as outras propriedades intensivas do estado 2 a partir
das tabelas termodinâmicas do n-pentano, relacionando a entalpia encontrada (h2) com a
pressão do fluido após percorrer a bomba (P2).
O estado 3 será definido a partir dos estados 2, 5 e 6 e, portanto, será descrito mais
adiante.
Já o estado 4 é determinado informando-se a temperatura e a pressão em que se
encontra o n-pentano. Tendo estas duas informações, é possível determinar todas as
outras propriedades intensivas do fluido a partir das tabelas disponibilizadas.
Para a obtenção do estado 5, o primeiro passo é supor que a expansão na turbina é
isentrópica, ou seja, que a entropia do estado 5 é a mesma do estado 4, previamente
encontrada. Além disso, sabe-se que o n-pentano, neste ponto, se encontra na pressão
baixa do ciclo, previamente fornecida. Em posse destas duas informações, é possível
encontrar o valor da entalpia do estado 5s, ou seja, do estado hipotético caso a expansão
tivesse sido isentrópica. Como a ferramenta supõe irreversibilidades na expansão, faz-se
o uso da equação da eficiência isentrópica da turbina:
53
ℎ5 = ℎ4 − (ℎ4 − ℎ5𝑠). ɳ𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎
Tendo o valor da entalpia (assim como todas as outras propriedades) do estado 5, é
possível se encontrar o trabalho real gerado pela turbina que, novamente pela
conservação de entalpia do sistema, se dá pela equação:
𝑤𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎 = ℎ4 − ℎ5
Quanto ao estado 6, se trata do vapor saturado na pressão baixa do ciclo, e é o estado em
que o n-pentano se encontra antes de percorrer o condensador. Por meio da tabela de
saturação disponibilizada, determinam-se todas as propriedades intensivas do fluido.
Finalmente, o ponto 3 é obtido fazendo-se um balanço do fluxo de calor que atravessa o
recuperador. Em outras palavras, o fluxo de calor cedido pelo fluido, que transforma o
estado 5 ao estado 6, é o mesmo fluxo de calor recebido pelo fluido, que leva o estado 2
ao estado 3:
|5�̇�6| = |2�̇�3|
ou
�̇�(ℎ5 − ℎ6) = �̇�(ℎ3 − ℎ2)
e, portanto,
ℎ3 = ℎ5 − ℎ6 + ℎ2
onde |5�̇�6| é o fluxo de calor cedido pelo fluido no ponto 5, |2�̇�3| é o fluxo de calor
recebido pelo fluido no estado 2 e �̇�, a vazão mássica do fluido.
54
Conhecendo-se a entalpia específica do estado 3 e sabendo-se a pressão nesse ponto,
todas as outras propriedades termodinâmicas do referido estado podem ser obtidas pelas
tabelas disponibilizadas.
Além disso, é possível se determinar a quantidade de calor cedida ao pentano no
evaporador, assim como a quantidade de calor rejeitada mesmo pelo fluido de trabalho,
no condensador:
𝑞𝑒 = ℎ4 − ℎ3
e
𝑞𝑠 = ℎ6 − ℎ1
4.3.2 Aba “Etapa 2 Análise do Ciclo Geral”
4.3.2.1 Guia ao Usuário
Uma vez definidas as propriedades intensivas do ciclo e sua eficiência por meio da aba
descrita anteriormente, a presente aba leva em consideração as propriedades extensivas
do ciclo. Em outras palavras, ao selecionar o equipamento que operará o ciclo Rankine
orgânico a partir de uma lista suspensa (exibindo alguns equipamentos da empresa
Turboden), o usuário obterá automaticamente o valor da potência nominal que é cedida
à rede, do fluxo de calor cedido ao ciclo a partir da biomassa, do fluxo de calor que é
rejeitado pelo sistema à fonte fria (água), da vazão mássica do pentano no ciclo ORC e
da eficiência de todos os equipamentos envolvidos, conforme ilustra a figura 23:
55
Figura 23 – Dados do Equipamento [39]
Os módulos do ciclo Rankine orgânico que compõem a lista foram selecionados a partir
do catálogo da empresa Turboden, os quais, por sua vez, foram armazenados no arquivo
utilizando-se a tabela 12, contida na aba oculta “Análise dos Equipamentos”.
Deve-se ressaltar, contudo, que os equipamentos aqui listados não existem, de fato, no
mercado. Correspondem apenas às potências dos equipamentos existentes da Turboden,
uma vez que os equipamentos da empresa não se utilizam do n-pentano como fluido de
trabalho. É importante notar que as máquinas Turboden aqui destacadas representam, na
verdade, apenas suas respectivas potências, uma vez que os equipamentos existentes no
mercado não operam com o n-pentano.
Tabela 12 – Análise dos Equipamentos Turboden [19]
Além disso, o usuário poderá selecionar a biomassa com a qual será simulado o
equipamento definido. Ao escolher o produto agrícola a partir da lista suspensa, a
ferramenta gera automaticamente seu respectivo resíduo, com seu poder calorífico
56
inferior, seu índice de produtividade e seu fator de disponibilidade. Adicionalmente, a
ferramenta gera ainda uma lista suspensa dinâmica (que varia em função do produto
agrícola escolhido) contendo os oito maiores municípios produtores do referido produto,
conforme ilustra a figura 24:
Figura 24 – Seleção do Produto Agrícola
Conforme já abordado na seção 2.3.4, foi feita uma avaliação do potencial dos resíduos
agrícolas, com foco nas culturas que apresentam maior representatividade no país. Neste
sentido, a quantificação da geração física de resíduos e de seu conteúdo energético,
juntamente com a análise de seu poder calorífico, é essencial na avaliação de seu
potencial de uso em tecnologias, tendo este trabalho dado foco especial naquelas
operando em sistemas ORC.
Os dados na figura 24 são gerados automaticamente a partir da tabela 13, contida na aba
“Análise dos Resíduos” do arquivo, a qual foi obtida a partir da tabela 8 deste trabalho.
Tabela 13 – Análise dos Produtos Agrícolas [9]
Além disso, uma vez selecionado o produto agrícola com que o usuário deseja fazer sua
análise, a planilha gera automaticamente uma lista suspensa com os oito municípios que
em maior quantidade o produzem no país, conforme o Anexo II.
57
A lista exibida na figura 25 é o terceiro e último campo de entrada da aba descrita nesta
seção. Ao se selecionar o município, o arquivo informa ao usuário a produção, em
toneladas, do referido produto, no ano de 2015, da produção do resíduo e da sua
disponibilidade para se analisar, de fato, o potencial de energia a ser gerada (apenas com
o resíduo escolhido). Adicionalmente, é informado também o consumo energético do
referido município para uma melhor avaliação quanto ao impacto do aproveitamento
desse resíduo na economia de energia elétrica no local.
Figura 25 – Seleção do Município Dentre os Maiores Produtores da Produção Agrícola
Selecionada [26]
O consumo de energia elétrica no município pôde ser estimado de acordo com o seu
número de habitantes no ano em questão e o consumo médio de eletricidade por
habitante, conforme a UF onde se encontra este município. A tabela 14, contida na aba
“Consumo por Município (Ano 2015)” foi elaborada com o intuito de se estimar o
consumo por município.
58
Tabela 14 – Consumo elétrico por município [26][43]
Uma vez escolhidos o equipamento, o produto agrícola e o município, a presente aba é
capaz de fornecer dados importantes ao usuário para a avaliação do módulo operando
com a biomassa selecionada, assim como a sua capacidade de abastecimento do
município definido, conforme exibido na tabela 15, cujos resultados são obtidos a partir
dos campos de entrada inseridos, como demonstram as figuras 23, 24 e 25:
Tabela 15 – Resultados da Combinação Equipamento/Biomassa/Município
59
O consumo necessário para produzir a potência nominal do aparelho, indicado na tabela
14, é calculado levando-se em conta o fluxo de calor cedido pela biomassa ao ciclo e o
poder calorífico do resíduo, pela seguinte fórmula:
𝐶𝑟𝑒𝑠í𝑑𝑢𝑜 =�̇�𝑟𝑒𝑠í𝑑𝑢𝑜
𝑃𝐶𝐼𝑟𝑒𝑠í𝑑𝑢𝑜
onde Cresíduo é o consumo do resíduo.
O segundo campo da tabela 14 relaciona o trabalho líquido gerado com o consumo do
resíduo. Embora essa relação não seja direta, uma vez que depende de todo o
funcionamento do ciclo, ela pode ser obtida pela equação:
𝑇𝑈𝑒𝑞𝑢𝑖𝑝𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜−𝑟𝑒𝑠í𝑑𝑢𝑜 =𝑃𝑁𝑒𝑞𝑢𝑖𝑝𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜
𝐶𝑟𝑒𝑠í𝑑𝑢𝑜
onde TU(equipamento-resíduo) é o trabalho líquido por unidade de massa do resíduo
consumida e PN corresponde à potência nominal do equipamento.
O terceiro campo da tabela 14 é o trabalho total gerado à rede por um equipamento em
um ano, considerando o funcionamento contínuo e ininterrupto do ciclo, já que os ciclos
ORC possuem esta vantagem. Considera-se, pois, a potência nominal multiplicada por
8.760 (quantidade de horas em um ano).
𝐸𝐴𝑒𝑞𝑢𝑖𝑝𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 = 𝑃𝑁 𝑋 8760
Deve-se levar em conta, contudo, que este valor se trata de uma simplificação, pois, por
uma questão de sazonalidade, a geração de insumo energético não será constante e
talvez não se tenha resíduo disponível durante todo o ano. Além disso, não são levadas
em conta as eventuais perdas devido ao estoque, que prejudicam as propriedades do
resíduo (degradação por microrganismos, absorção de umidade etc.).
60
Já o quarto campo da tabela 14 leva em consideração a produção do referido resíduo
agrícola no município escolhido e, através desse dado, calcula o potencial (total) de
energia que poderia ser gerada no município, apenas com o resíduo selecionado.
𝑇𝑇 = 𝑇𝑈𝑒𝑞𝑢𝑖𝑝𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜−𝑟𝑒𝑠í𝑑𝑢𝑜 𝑋 𝑃𝑟𝑒𝑠í𝑑𝑢𝑜
onde TT corresponde ao trabalho total que poderia ser gerado no ano com o resíduo
escolhido e Presíduo corresponde à produção de resíduo no ano.
Através do consumo de energia elétrica do município no ano e a quantidade de energia
elétrica que pode ser gerada com o resíduo escolhido, é possível avaliar se o município é
capaz de gerar sua própria energia apenas por meio do consumo de biomassa no ciclo
ORC, verificando apenas se o consumo de energia é maior ou não que a geração de
energia. Esta informação é obtida no quinto campo.
Caso seja viável abastecer o município apenas com o resíduo em questão, o sexto
campo informa ao usuário o número de módulos ORC necessários para esse fim.
Independentemente do resultado do 6º campo da tabela, o 7º campo calcula a
quantidade de equipamentos necessários para aproveitar todo o resíduo gerado no ano,
considerando funcionamento contínuo e ininterrupto.
Finalmente, a tabela ainda nos informa os percentuais, tanto da representação da
geração de energia de um equipamento quanto na geração total de energia, em relação
ao consumo do município no referido ano. As fórmulas indicam o cálculo mencionado:
%𝐸𝐴𝑒𝑞𝑢𝑖𝑝𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 =𝐸𝐴𝑒𝑞𝑢𝑖𝑝𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜
𝐶𝑚𝑢𝑛𝑖𝑐í𝑝𝑖𝑜 𝑋 100
%𝐸𝐴𝑚𝑢𝑛𝑖𝑐í𝑝𝑖𝑜 =𝐸𝐴𝑚𝑢𝑛𝑖𝑐í𝑝𝑖𝑜
𝐶𝑚𝑢𝑛𝑖𝑐í𝑝𝑖𝑜 𝑋 100
61
onde %EAequipamento corresponde à representação do trabalho gerado em um ano, por um
equipamento e Cmunicípio é o consumo estimado do município em questão, no referido
ano. Na segunda equação, %EAmunicípio representa a relação entre o total de energia que
poderia ser gerada no município com o resíduo no referido ano e o consumo de energia
no município no mesmo ano.
Vale destacar, por fim, que as tabelas referentes ao equipamento, à biomassa escolhida e
aos resultados estão posicionados na tabela para mais fácil visualização. Visando ainda
a uma melhor interface, as tabelas que dão destaque às diferentes categorias foram
separadas por cores, conforme evidencia a figura 26:
Figura 26 – Legenda da Aba “Etapa 2 Análise do Ciclo Geral”
5. Estudo de Casos
Para melhor avaliação do ciclo em função das escolhas feitas pelo usuário, este capítulo
se destina a avaliar e a comparar diferentes situações e condições sob as quais o ciclo
ORC opera. Com isso, será possível ter uma melhor avaliação da ferramenta
desenvolvida, assim como uma interpretação dos resultados gerados para os diferentes
casos.
Por fim, quanto ao município, será contemplado sempre o maior produtor do respectivo
produto cujo resíduo estará em análise.
62
5.1 Caso A – Módulo ORC de 200kW, com o n-pentano no estado de
vapor saturado na entrada da turbina, uso de resíduos do milho
Dentre os equipamentos disponibilizados pela Turboden para ciclos ORC – biomassa, o
módulo 200kW é o mais compacto e econômico, embora seja também o que, em menor
escala, gera energia elétrica. Por conta de sua relativamente fácil aplicação (devido à
sua baixa demanda por combustível), é um equipamento com grande potencial no
mercado e cujo estudo é, portanto, de grande valia.
Figura 27 – Caso A: Dados de Entrada
Figura 28 – Caso A: Diagrama do Ciclo
Percebe-se pelas figuras 27 e 28 que a temperatura em que o n-pentano entra na turbina
é a temperatura de vapor saturado e que seu valor é 147°C. Como esse valor foi
63
arredondado para um número inteiro, optou-se por sempre atribuir a temperatura um
grau acima para garantir que ela nunca fosse inferior à temperatura de vaporização, o
que seria fisicamente inconsistente.
É importante ressaltar que, em todos os casos analisados, considerou-se a eficiência
isentrópica da turbina e da bomba em 85% e 80%, respectivamente, que são percentuais
dentro do intervalo típico dos referidos equipamentos [44]. Além disso, mantiveram-se
constantes os valores das pressões baixa e alta do ciclo, sendo a pressão baixa a mínima
possível – 0,2 Mpa – e a pressão alta a máxima possível – 1,5 Mpa – considerando-se os
limites estabelecidos pelas tabelas termodinâmicas do n-pentano.
O fato de o vapor do n-pentano iniciar a expansão como vapor saturado, ao invés de
vapor superaquecido, resulta em menores esforços térmicos nas pás da turbina,
acarretando menor necessidade (e frequência) de manutenção e maior tempo de vida
útil.
É importante frisar que esta possibilidade de se trabalhar com vapor saturado só é viável
devido à propriedade do n-pentano que, como já visto, é um fluido seco, ou seja, possui
sua curva de vapor saturado com derivada positiva. Conforme já visto, esta propriedade
garante que, após a expansão, o fluido permanecerá no estado de vapor (no caso, vapor
superaquecido). Caso contrário, para que permanecesse vapor após sua expansão, o
fluido deveria iniciar sua expansão em um estado superaquecido.
64
Tabela 16 – Caso A: Dados de saída
Observa-se, pela tabela 16, que a eficiência do ciclo neste caso é de 15,8% e que o
trabalho gerado pela turbina e o consumido pela bomba são de, respectivamente, 66,3 kJ
e 2,8 kJ por quilo de n-pentano. A tabela também nos informa que o calor fornecido ao
n-pentano no evaporador e o calor rejeitado pelo n-pentano no condensador são de,
respectivamente, 402,9 kJ e 339,4 kJ por quilo de pentano.
Pode-se notar, também, que a temperatura em que o n-pentano inicia sua condensação,
na pressão de 0,2 MPa, é de 58°C. O fluido permanece nesta temperatura até a condição
de líquido saturado, quando sofrerá compressão pela bomba. É possível verificar que a
bomba não altera a temperatura do fluido, o que já era de se esperar. Após a troca
térmica no recuperador, o fluido é aquecido à temperatura de 87°C, temperatura esta
65
muito aquém da máxima permitida pelo ciclo, ou seja, a temperatura de líquido saturado
na pressão de 1,5 MPa, de 148°C. Esta diferença é um indicativo de que a temperatura
na qual o fluido entrará na turbina pode ainda ser superior à inserida, o que aumentaria o
rendimento geral do ciclo. Por fim, nota-se que o fluido, devido à expansão, é resfriado
de uma temperatura de 148°C a 96°C e, posteriormente, resfriado no condensador até
voltar à temperatura de 58°C.
Tabela 17 – Caso A: Dados do equipamento
A tabela 17 nos informa o fluxo de energias térmica e elétrica ao longo do ciclo,
levando-se em conta a potência nominal do equipamento selecionado. A partir desta, é
calculada a vazão mássica em que o n-pentano percorrerá o ciclo e, através dessa
informação, juntamente com os rendimentos dos equipamentos, são obtidos os dados
restantes.
Os valores dos rendimentos do evaporador, condensador e caldeira (98%, 98% e 80%,
respectivamente) foram obtidos a partir do catálogo da Turboden, enquanto que, para o
gerador, foi considerada uma eficiência típica de 95% [6].
É importante salientar que os equipamentos inseridos na planilha não são os
equipamentos já existentes no mercado, uma vez que não operam com o n-pentano.
Consideraram-se, contudo, as potências nominais de equipamentos existentes, obtidas a
66
partir do catálogo da Turboden e realizaram-se as devidas modificações para adequá-los
ao n-pentano.
Tabela 18 – Caso A: Dados da biomassa
Dentre os produtos agrícolas estudados neste trabalho, a escolha pelo milho se deve ao
alto poder calorífico inferior de seus resíduos, com valor médio de 17,7 MJ/kg (o mais
alto dentre os abordados neste trabalho), e sua relevante produção no país, ficando atrás
apenas da soja entre os produtos estudados.
As culturas de milho produzem, além dos grãos que serão comercializados, palha,
folhas, sabugo e colmo. A produção desses resíduos é definida pelo seu índice de
produtividade de 1,68, ou seja, é gerado em média 1,68 kg para cada 1,00 kg de grão de
milho.
Devido à sua aplicabilidade nos campos, nem todo resíduo deve/pode ser retirado do
local. O fator de disponibilidade nos informa a quantidade ideal a ser retirada (ou a
quantidade a ser deixada no solo). No caso dos resíduos do milho, de acordo com a
tabela 18, deverá ser deixada no solo a fração mássica de 60%, podendo, portanto, ser
aproveitada somente 40% de sua produção.
O município que em maior quantidade produziu milho no país, tendo 2015 como ano de
referência, foi Sorriso, no Estado do Mato Grosso. Nesse ano, segundo nos mostra a
tabela 18, a produção total foi de 2.619.690 toneladas de milho e, fazendo uso do índice
de produtividade, foi possível estimar a quantidade de resíduo produzida de 4.401.079
toneladas. Uma vez que, como já dito, apenas 40% pode ser retirado do local, calculou-
67
se também a quantidade total efetiva de resíduo que poderia ter sido aproveitada para
combustão em 2015, de 1.760.432 toneladas.
Para se poder contar com uma melhor referência quanto à energia elétrica que
potencialmente poderia ter sido gerada no município, levou-se em conta neste trabalho o
consumo do município, também de 2015. No caso do município de Sorriso-MT, foi
estimado um consumo, no referido ano, de 262 GWh.
Tabela 19 – Caso A: Resultados
A tabela 19 nos informa que a quantidade média a ser consumida pelos resíduos do
milho, levando-se em consideração seu PCI médio, é de 326 kg/h. Constata-se também
que, ao longo do ciclo, para cada 1,00 kg de resíduo do milho que entrou em
combustão, gerou-se 0,58 kWh.
Além disso, foi possível calcular o trabalho total gerado em 2015 do equipamento
selecionado, resultando em 1,6 GWh, levando-se em conta sua potência nominal de 188
kW, funcionando ininterruptamente ao longo do ano, ou seja, durante 8.760 horas.
O potencial de geração de energia elétrica de Sorriso-MT ao longo de 2015, levando-se
em consideração a sua produção de milho, foi de 1.016 GWh, bem acima do seu
consumo no ano. Com isso, pode-se concluir que o fluido é capaz de se sustentar
sozinho em termos de energia elétrica, produzindo cerca de quatro vezes mais energia
do que o que consome.
68
Para que seja possível aproveitar todo o resíduo disponível no ano para combustão, e
utilizando apenas o equipamento escolhido, seriam necessárias 617 unidades, enquanto
que, para o caso de apenas se sustentar (sem aproveitar todo resíduo produzido no ano),
seriam necessárias 159 unidades do módulo escolhido, tendo em vista que a produção
de energia elétrica de cada unidade representa 0,6% do consumo de eletricidade do
município.
5.2 Caso B – Módulo ORC de 200kW, com o n-pentano no estado de
vapor saturado na entrada da turbina, uso de resíduos do arroz
Para mais fácil avaliação do impacto de cada variável na operação de aparelhos ORC,
este trabalho modifica um parâmetro de cada vez, mantendo os outros constantes. Com
esta premissa em mente, o presente caso é idêntico ao caso anterior, modificando apenas
o resíduo a partir do qual a queima será realizada.
Por esta razão, a aba “Etapa 1 Análise do Ciclo ORC” não sofre nenhuma alteração em
relação ao Caso A. Além disso, como o equipamento ainda é o mesmo, os campos
referentes a ele, na aba “Etapa 2 Análise do Ciclo Geral”, tampouco sofrem
modificação. Portanto, as Figuras 27 e 28 e as tabelas 16 e 17 e suas respectivas
descrições ilustram, também, este Caso.
Esta seção faz uma análise dos resíduos de arroz em relação aos de milho e uma
avaliação quanto ao seu potencial de geração de energia elétrica nos municípios que
mais produziram arroz em 2015.
69
Tabela 20 – Caso B: Dados da biomassa
Embora não tenha tanto destaque nacional quanto a produção de milho, a produção de
arroz tem grande relevância e seus resíduos (casca e palha) teriam também serventia e
disponibilidade. O poder calorífico inferior destes resíduos é, em média, 16 MJ/kg.
A produção desses resíduos é definida pelo seu índice de produtividade, destacado na
tabela 19, de 1,73, ou seja, é gerado em média 1,73 kg para cada 1,00 kg de grão de
arroz.
Devido à sua aplicabilidade nos campos, nem todo o resíduo deve/pode ser retirado do
local. O fator de disponibilidade nos informa a quantidade ideal a ser retirada (ou a
quantidade a ser deixada no solo). No caso dos resíduos de arroz, de acordo com a
tabela 20, deverá ser deixada no solo a fração mássica de 60%, podendo, portanto, ser
aproveitada somente 40% de sua produção.
O município que em maior quantidade produziu arroz no país, tendo como ano de
referência 2015, foi Uruguaiana, no Estado do Rio Grande do Sul. Naquele ano,
segundo nos mostra a tabela 20, a produção total foi de 751.684 toneladas de arroz e,
fazendo uso do índice de produtividade, foi possível estimar a quantidade de resíduo
produzida de 1.300.413 toneladas. Uma vez que, como já dito, apenas 40% podem ser
retirados do local, calculou-se também a quantidade total efetiva de resíduo que poderia
ter sido aproveitada para combustão em 2015 de 520.165 toneladas.
A fim de se ter uma melhor referência quanto à energia elétrica que potencialmente
poderia ter sido gerada no município, levou-se em conta neste trabalho o consumo do
70
município, também de 2015. No caso do município de Uruguaiana-RS, foi estimado um
consumo, no referido ano, de 1.458 GWh.
Tabela 21 – Caso B: Resultados
A tabela 21 nos informa que a quantidade média a ser consumida pelos resíduos do
arroz, levando-se em consideração seu PCI médio, é de 360 kg/h, superior aos 326 kg/h
dos resíduos do milho. Ou seja, para a produção da mesma potência do equipamento, é
necessária mais matéria-prima disponível a entrar em combustão. Constata-se também
que, ao longo do ciclo, para cada 1,00 kg de resíduo do arroz que entrou em combustão,
gerou-se 0,52 kWh, inferior a 0,58 kWh gerado com a combustão de 1,00 kg de
resíduos do milho.
Além disso, assim como no Caso A, foi possível calcular o trabalho total gerado pelo
equipamento selecionado em 2015, resultando em 1,6 GWh, levando-se em conta sua
potência nominal de 188 kW, funcionando ininterruptamente ao longo do ano, ou seja,
durante 8.760 horas. Este trabalho total de um equipamento representa 0,1% do
consumo do município.
O potencial de geração de energia elétrica de Uruguaiana-RS ao longo de 2015,
levando-se em consideração a sua produção de arroz, foi de 271 GWh, bem abaixo do
seu consumo do ano. Com isso, pode-se concluir que o município não é capaz de se
sustentar sozinho, em termos de energia elétrica, e que, se fossem instaladas 165
unidades a fim de aproveitar todo o resíduo produzido, o município geraria 18,6% da
energia elétrica que consome.
71
5.3 Caso C – Módulo ORC de 1MW, com o n-pentano no estado de
vapor saturado na entrada da turbina, uso de resíduos do arroz
Assim como no Caso B, nenhuma alteração foi feita na aba “Etapa 1 Análise do Ciclo
ORC”, mantendo-se, portanto, os mesmos resultados e respectivas análises das figuras
27 e 28 e tabela 16.
Já na aba “Etapa 2 Análise do Ciclo Geral”, com a alteração de potência, muda-se o
equipamento escolhido.
Tabela 22 – Caso C: Dados do equipamento
A tabela 22 nos informa que, para o equipamento escolhido, e mantida a eficiência do
ciclo ORC da aba “Etapa 1 Análise do Ciclo ORC” de 15,8%, é necessária uma vazão
de 16 kg/s de n-pentano, muito superior à vazão de 3,0 kg/s para o equipamento dos
casos A e B. Esta vazão é calculada conhecendo-se o trabalho líquido específico do
ciclo ORC, ou seja, o trabalho líquido gerado para cada 1,0 kg de n-pentano e a potência
líquida que deve ser obtida no equipamento, que por sua vez é calculada por meio do
rendimento do gerador e da potência nominal do equipamento.
Como a biomassa estudada neste caso é a mesma do Caso B, todos os dados referentes a
ela, como poder calorífico inferior, índice de produtividade e fator de disponibilidade do
72
resíduo, assim como o município que mais produz o produto agrícola, serão os mesmos
do Caso B e, portanto, não serão tratados nesta seção.
Tabela 23 – Caso C: Resultados
A tabela 23 informa que a quantidade média a ser consumida pelos resíduos do arroz,
levando-se em consideração seu PCI médio e à potência do equipamento, é de 1.848
kg/h. Este consumo supera bastante o dos casos anteriores, com equipamentos de mais
baixas potências, nos quais o consumo necessário de biomassa não ultrapassava os 400
kg/h. Constata-se também que, ao longo do ciclo, para cada 1,0 kg de resíduo do arroz
que entrou em combustão, gerou-se 0,52 kWh, mesmo valor do caso anterior, uma vez
que o resíduo é o mesmo, assim como o rendimento do ciclo ORC.
Além disso, foi possível calcular o trabalho total gerado em 2015 do equipamento
selecionado, resultando em 8,4 GWh, levando-se em conta sua potência nominal de 964
kW, funcionando ininterruptamente ao longo do ano, ou seja, durante 8.760 horas. Este
trabalho total de um equipamento representa 0,6% do consumo do município.
O potencial de geração de energia elétrica de Uruguaiana-RS ao longo de 2015,
levando-se em consideração a sua produção de arroz, foi de 271 GWh, inferior ao
consumo de eletricidade no mesmo ano. Percebe-se, novamente, que esta grandeza não
varia com o equipamento, dependendo apenas do resíduo utilizado. Novamente, pode-se
concluir que o município não é capaz de se sustentar sozinho, em termos de energia
elétrica, e que, se fossem instaladas 32 unidades a fim de aproveitar todo o resíduo
produzido, o município geraria 18,6% da energia que consome.
73
5.4 Caso D – Módulo ORC de 1MW, com o n-pentano no estado de
vapor superaquecido na entrada da turbina, uso de resíduos do
arroz
A diferença deste caso para os anteriores é a condição em que o vapor do n-pentano
entra na turbina. Embora não seja necessário superaquecer o vapor para evitar erosão
das pás da turbina devido à característica de expansão seca do n-pentano, o
superaquecimento ainda assim é utilizado em muitos casos, uma vez que esta medida
aumenta a eficiência térmica do ciclo.
Ao contrário dos casos anteriores, portanto, a aba “Etapa 1 Análise do Ciclo ORC”
sofrerá alterações desde o início, já que o próprio ciclo ORC operará de forma diferente
das anteriores.
Figura 29 - Caso D: Dados de entrada
Figura 30 – Caso D: Diagrama do Ciclo
74
Conforme evidenciado na figura 29, foi escolhida para este caso a maior temperatura
possível dentro do intervalo imposto pela planilha, visto que a eficiência do ciclo
aumenta com o aumento da diferença entre as temperaturas da fonte quente e da fonte
fria. A figura 30 ilustra melhor a diferença em relação ao ciclo anterior.
Tabela 24 – Caso D: Dados de saída
Observa-se, pela tabela 24, que a eficiência do ciclo neste caso é de 19,6%, acima da de
15,8% obtida nos casos anteriores, com o vapor entrando na turbina na condição
saturada. Esta diferença de 3,8% é considerável em ciclos ORC, com um aumento
relativo da eficiência de 24,1%.
75
Além disso, constata-se que o trabalho gerado pela turbina e o consumido pela bomba
são, respectivamente, 85,4 kJ e 2,8 kJ por kg de n-pentano. Em relação aos casos
anteriores, houve um aumento do trabalho obtido na turbina por kg de n-pentano, uma
vez que o trabalho específico dos outros casos foi de 66,3 kJ. Quanto ao trabalho
realizado pela bomba, este se manteve constante, apesar da mudança de temperatura na
entrada da turbina.
Adicionalmente, a tabela nos informa que o calor fornecido ao n-pentano no evaporador
e o calor rejeitado pelo n-pentano no condensador são de, respectivamente, 422,0 kJ e
339,4 kJ por kg de n-pentano. Novamente, houve um aumento em relação aos casos
anteriores no que diz respeito ao calor recebido pelo n-pentano, já que, naqueles casos,
o calor foi de 402,9 kJ. Quanto ao calor rejeitado pelo n-pentano à água, no
condensador, por quilo de n-pentano, se manteve constante, apesar da mudança proposta
neste caso.
Pode-se notar, também, que a temperatura em que o n-pentano inicia sua condensação,
na pressão de 0,2 MPa, é de 58°C. O fluido permanece nesta temperatura até a condição
de líquido saturado, quando sofrerá compressão pela bomba. É possível verificar que a
bomba não altera a temperatura do fluido, o que já era de se esperar. Após a troca
térmica no recuperador, o fluido é aquecido à temperatura de 146°C, temperatura
máxima permitida do n-pentano antes de começar a evaporar, ou seja, a temperatura de
líquido saturado na pressão de 1,5 MPa. O fato de o fluido sair do recuperador à
temperatura de líquido saturado é um indicativo de que, se a temperatura que entra na
turbina fosse mais alta, o fluido sairia do recuperador e entraria no evaporador já tendo
iniciado a evaporação, o que não é desejado. Por fim, nota-se que o fluido, devido à
expansão, é resfriado de uma temperatura de 219°C a 173°C, e posteriormente resfriado
no condensador até voltar à temperatura de 58°C.
76
Tabela 25 – Caso D: Dados do equipamento
Nota-se, pela tabela 25, que, embora se tenha mantido o equipamento e sua respectiva
potência nominal de 1,0 MW, a mudança de temperatura do ponto em que o n-pentano
entra na turbina varia as condições do equipamento. Dito de outra forma, para uma
mesma potência nominal, a vazão mássica do aparelho reduziu com o aumento da
eficiência, reduzindo também todos os fluxos de calor envolvidos no ciclo, assim como
o trabalho gerado e consumido. O maior benefício desta mudança é a menor
necessidade de energia advinda da biomassa, a qual consequentemente reduz seu
consumo.
Quanto à biomassa e ao município que mais a produz, esta mudança do ciclo não altera
em nada as suas propriedades e, portanto, não será detalhada nesta seção. Os resultados
desta mudança, assim como a manutenção do equipamento e resíduos utilizados
anteriormente se encontram na tabela 26.
77
Tabela 26 – Caso D: Resultados
Conforme já previsto, a principal mudança ao se elevar a temperatura na qual o n-
pentano inicia a sua expansão, aumentando, consequentemente, a sua eficiência, é a
menor necessidade de biomassa para uma mesma potência nominal do equipamento.
Nos casos anteriores, quanto o n-pentano iniciava a expansão na condição de vapor
saturado, o consumo de biomassa para satisfazer as condições do equipamento equivalia
a 1.848 kg/h. Com o aumento da eficiência, este valor foi reduzido a 1.488 kg/h,
redução relativa de 19,5% do consumo de biomassa.
Analisando o impacto desta modificação por outro ângulo, percebe-se também o
aumento de trabalho líquido gerado no ciclo por quilograma de biomassa consumida.
No caso C, antes desta modificação, este valor era de 0,52 kWh/kg de biomassa
consumida, enquanto que com esta mudança, este valor aumentou para 0,65 kWh/kg.
No que diz respeito ao trabalho gerado por um equipamento ao longo de um ano, este
não sofreu nenhuma alteração, uma vez que a potência do equipamento se manteve a
mesma. Isto significa que, ao longo de um ano, a energia que teria sido produzida se
manteve em 8,4 GWh, assim como a sua representação de 0,6% em relação ao consumo
elétrico do município no ano de 2015.
Contudo, apesar de se manter a mesma potência nominal do equipamento, o potencial
de geração de energia elétrica, levando em conta a produção do resíduo do município,
aumentou drasticamente com o aumento da eficiência do ciclo. Em outras palavras,
antes da modificação deste caso, o trabalho que teria sido gerado em 2015 era de 271
GWh, enquanto que, com esta alteração, o trabalho passou para 337 GWh,
78
representando um aumento de 24,4%. Com isso, a produção de energia elétrica com este
aumento de eficiência aumentou de 18,6% para 23,1% em relação ao consumo elétrico
do município no ano de 2015. Para utilizar todo resíduo produzido no município, seriam
necessárias 40 unidades do equipamento selecionado, superior às 32 unidades do caso
C, antes desta modificação.
6. Conclusão
Com o mundo buscando utilizar mais fontes renováveis e descentralizadas de energia
com vistas à redução da emissão de gases de efeito estufa, como ocorre com os
combustíveis fósseis, novas tecnologias que operam em um sistema ORC se mostram
uma alternativa interessante.
De fato, os aparelhos ORC se mostram vantajosos e têm enorme potencial em regiões
rurais, que são menos acessíveis, já que a matéria-prima já estaria no local onde seria
consumida. Assim, não haveria necessidade de transportar os resíduos acumulados dos
produtos agrícolas – cujo excesso é muitas vezes indesejado – evitando, com isso,
desperdício de tempo e custos com o deslocamento e até mesmo perda de qualidade da
biomassa (devido à biodegradação por microrganismos, acúmulo de umidade etc.).
Além disso, embora o ORC tenha uma baixa eficiência (18% - 23%) em relação a um
ciclo a vapor, ele se mostra mais adequado a um produtor agrícola por conta de seu
baixíssimo custo de operação, dado que o aparelho não necessita de manutenção
regular, não depende de mão-de-obra especializada para operá-lo devido à sua
simplicidade, pode operar com carga parcial permitindo variações por conta da
sazonalidade do cultivo, consegue operar com fontes combustíveis de pior qualidade e
mesmo heterogêneas (o que permitiria a mistura de resíduos) e, principalmente, opera
com combustível a custo zero, advindo da sua própria produção local.
Pelas razões supracitadas, aparelhos ORC se mostram excelentes alternativas ou um
complemento para o produtor agrícola obter energia elétrica, assim como para dar
destino a seus resíduos. No entanto, o presente trabalho não levou em conta os custos
necessários para operar aparelhos ORC. Por isso, este estudo sugere que seja
79
desenvolvida, como complemento à análise técnica realizada, um estudo econômico da
aquisição, instalação, manutenção e operação dos aparelhos ORC, de modo a
aprofundar o conhecimento e também auxiliar na obtenção de uma decisão que leve em
conta a viabilidade do projeto e/ou o tempo de retorno do montante investido.
Este trabalho propõe, ainda, aprimorar a ferramenta desenvolvida em Excel, de modo a
permitir ampliar a análise teórica para diferentes fluidos, da mesma forma que foi
realizada com o pentano. Seria recomendável criar um espaço predefinido nas opções de
entrada de dados, a fim de possibilitar a escolha do fluido pelo usuário e, com isso,
simular diferentes equipamentos, empregando diferentes resíduos, operando com
diferentes fluidos, visando obter um melhor embasamento teórico e, assim, projetar o
funcionamento de uma máquina térmica, operando sob um sistema ORC, de acordo
com as escolhas do usuário.
Adicionalmente, este trabalho também sugere a inclusão de uma opção na plataforma
que viabilize uma análise mais aprofundada para os casos onde há dupla safra, o que
ocorre em alguns locais do Brasil. Uma vez que ciclos ORC permitem a mistura de
resíduos como insumo energético, conforme mencionado anteriormente, essa
característica ampliaria o leque de aplicações para uma mesma instalação ORC e,
consequentemente, o potencial elétrico do local sem a necessidade de modificações e
sem custo adicional. Neste caso, bastaria estimar o PCI médio da mistura, levando-se
em conta o PCI dos resíduos que compõem a mistura e suas respectivas quantidades.
Por fim, como o presente trabalho considerou a produção anual dos resíduos abordados
e seu aproveitamento de forma contínua (o que de fato não ocorre, devido à
sazonalidade), propõe-se um estudo mais aprofundado quanto à disponibilidade dos
resíduos agrícolas ao longo do ano e o desenvolvimento de estratégias para seu melhor
aproveitamento, levando em conta a sazonalidade dos produtos agrícolas, o tempo de
estoque possível antes de eventuais perdas das propriedades físico-químicas dos
resíduos e a demanda energética de um dado município.
Referências Bibliográficas
80
[1] CARLÃO, R., Projecto de um ciclo de Rankine Orgânico para produção de
200kWe. Projeto Final de Graduação, Faculdade de Engenharia da Universidade do
Porto, Porto, Portugal, 2010;
[2] AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA. Boletim de Informações
Gerenciais – 4º Trimestre de 2016. Agência Nacional de Energia Elétrica, 2016;
[3] MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA, Demanda de Energia – 2050. Empresa de
Pesquisa Energética, 2016;
[4] BASU, P. Combustion and Gasification in Fluidized Beds. Primeira ed. Halifax,
Nova Escócia: Taylor & Francis Group, LLC, 2006. v. Único;
[5] MCLELLAN, B., FLORIN, N., GIURCO, D., KISHITA, Y., ITAOKA, K.,
TEZUCA, T., Decentralised Energy Futures: The Changing Emissions Reduction
Landscape. The 22nd CIRP conference on Life Cycle Engineering, pp. 138-143, 2015;
[6] QUOILIN, S., VAN DEN BROEK, M., DECLAY, S., DEWALLEF, P., LEMORT,
V. Techno-economic survey of Organic Rankine Cycle (ORC) systems. Renewable and
Sustainable Energy Reviews, p. 168–186, 2013;
[7] EON ENERGY. Decentralized Energy. Website, Disponível em
https://www.eonenergy.com, Acesso em julho de 2017;
[8] QUOLIN, S. Sustainable Energy Conversion Through the Use of Organic Rankine
Cycles for Waste Heat Recovery and Solar Applications. 2011. Tese de D.Sc. –
University of Liege, Liège, Bélgica, 2011;
[9] MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA, Inventário Energético de Resíduos Rurais.
Empresa de Pesquisa Energética, 2014;
81
[10] GONÇALVES, JOÃO R., Análise do Aproveitamento de Resíduos Térmicos em
um FPSO através do Ciclo Rankine Orgânico. Projeto de Graduação, Universidade
Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, RJ, Brasil, 2015;
[11] ROQUETTE, THADEU M., Análise do Potencial de Geração de Energia Elétrica
no Brasil Utilizando a Casca de Arroz como Combustível em um Ciclo Rankine
Orgânico. Projeto de Graduação, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de
Janeiro, RJ, Brasil, 2017;
[12] BIZZO, WALDIR A., Tecnologias da Biomassa para Conversão de Energia.
Unicamp, Website, Disponível em https://eva.fing.edu.uy/file.php/392/04-
figuras_Energia_da_biomassa.pdf, Acesso em junho de 2017;
[13] KHAN, A. A., AHO, M., DE JONG, W., VAINIKKA, P., JANSENS, P. J.,
SPLIETHOFF, H., Scale-up study on combustibility and emission formation with two
biomass fuels (B quality wood and pepper plant residue) under BFB conditions.
Biomass and Bioenergy, v.32, n.12, pp. 1311-1321, Dezembro, 2008;
[14] DA SILVA, J., Projeto de um Ciclo de Rankine Orgânico para a produção de
1MW de eletricidade. M. Sc. Dissertação, Faculdade de Engenharia da Universidade do
Porto, Porto, Portugal, 2010;
[15] TEIXEIRA, D. H. L., DE OLIVEIRA, M. S. P., GONÇALVES, F. M. A.,
NUNES, J. A. R., Índices de seleção no aprimoramento simultâneo dos componentes da
produção de frutos em açaizeiro. Pesquisa Agropecuária Brasileira, v.47, n.2, Fevereiro,
2012;
[16] RENTIZELAS, A., KARELLAS, S., KAKARAS, E., TATSIOPOULOS, I.,
Comparative techno-economic analysis of ORC and gasification for bioenergy
applications, Energy Conversion and Management, v.50, n.3, pp. 674-681, Março,
2009;
82
[17] DEMIRBAS, A., Mechanisms of Liquefaction and Pyrolysis Reactions of Biomass.
Energy Conversion and Management, v.41, n.6, pp. 633-646, Abril, 2006;
[18] MORAES, PEDRO L., Usina Híbrida Heliotérmica-Biomassa em Ciclo Rankine
Orgânico. Projeto de Graduação, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de
Janeiro, RJ, Brasil, 2017;
[19] ÇENGEL, Y., BOLES, M.; Termodinâmica; Terceira Edição; McGraw Hill; 2001;
pp. 395-617;
[20] WIKIPEDIA, Combustão, Website, Disponível em
https://en.wikipedia.org/wiki/Combustion, Acesso em junho de 2017;
[21] SMIL, V., Crop Residues, Agriculture´s Largest Harvest: Crop residues
incorporate more than half of the world´s agricultural phytomass, BioScience v. 49, n.
4, pp. 299-308, Abril, 1999;
[22] UNION OF CONCERNED SCIENTISTS, Turning Agricultural Residues and
Manure into Bioenergy, Website, Disponível em
http://www.ucsusa.org/sites/default/files/legacy/assets/documents/clean_vehicles/Agric
ultural-Residue-Ranking.pdf, Acesso em maio de 2017;
[23] BECHEN, K., Crop Residues: Issues Relating to Collection, Transportation, and
Storage. Biomass Magazine, 2011;
[24] SCHETTINO, MYRIAN A. S., HOLANDA, JOSÉ N. F., Characterization of
Sugarcane Bagasse Ash Waste for Its Use in Ceramic Floor Tile; Procedia Materials
Science, v.8, pp. 190-196, 2015;
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211812815000644
[25] AGREDO, J. T., DE GUTIÉRREZ R. M., GIRALDO, C. E. E., SALCEDO, L. O.
G., Characterization of sugar cane bagasse ash supplementary material for Portland
cement. Ingenieria e Investigación, v.34, n.1, Abril, 2014;
83
[26] SIDRA - SISTEMA IBGE DE RECUPERAÇÃO AUTOMÁTICA, Website,
Disponível em https://sidra.ibge.gov.br/tabela/1612, Acesso em abril de 2017;
[27] MASCARENHAS, MAÍRA M. Análise da Viabilidade Técnica e Econômica da
Implantação de Sistemas de Cogeração Operando com um Ciclo Rankine Orgânico.
Projeto de Graduação, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, RJ,
Brasil, 2014;
[28] WENZEL, THIAGO A., Análise Termodinâmica e Simulação de um Ciclo
Rankine Orgânico (ORC). Projeto de Graduação, Universidade Federal do Rio Grande
do Sul, Porto Alegre, RS , Brasil, 2015;
[29] YAMAMOTO, T., FURUHATA, T., ARAI, N., MORI, K., Design and testing of
the Organic Rankine Cycle, Energy v.26, n.3, pp. 239-251, Março, 2001;
[30] SALEH, B., KOGLBAUER, G., WENDLAND, M., FISCHER, J., Working fluids
for low-temperature organic Rankine cycles; Energy, v.32; n.7, pp. 1210-1221; Julho,
2007;
[31] SPLIETHOFF, H., SCHUSTER, A., The Organic Rankine Cycle – Power
Production from Low Temperature Heat. Institute for energy Systems – Technische
Universität München, Website, Disponível em http://engine.brgm.fr/web-
offlines/conference-Electricity_generation_from_Enhanced_Geothermal_Systems_-
_Strasbourg,_France,_Workshop5/other_contributions/40-slides-0-Spliethoff.pdf,
Acesso em julho de 2017;
[32] TCHANCHE, B. F., PAPADAKIS, G., LAMBRINOS, G., FRANGOUDAKIS, A
Fluid selection for a low-temperature solar organic Rankine cycle. Applied Thermal
Engineering v.29, n.11-12, p.2468–2476, Agosto, 2009;
84
[33] AOUN, B., Micro combined heat and power operating on renewable energy for
residential building. Tese de D.Sc. – École Nationale Supérieure des Mines de Paris,
Paris, França, 2008;
[34] DRESCHER, U., BRÜGGEMANN, D., Fluid Selection for the Organic Rankine
Cycle (ORC) in Biomass Power and Heat Plants. Applied Thermal Energy, v.27, n.1,
pp. 223-228, Janeiro, 2007;
[35] HERRERIA, E., Simulação de um ciclo Rankine Orgânico acionado por energia
solar. M. Sc. Dissertação, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Rio de
Janeiro, Brasil, 2012;
[36] WIKIPEDIA, Pentano, Website, Disponível em
https://pt.wikipedia.org/wiki/Pentano, Acesso em junho de 2017;
[37] REFINARIA DE PETRÓLEO RIOGRANDENSE, Ficha de Informação de
Segurança de Produto Químico, n-Pentano. Website, Disponível em
http://www.refinariariograndense.com.br/uploads/produto_documento/20120216081314
n-pentano%20FISPQ.pdf, Acesso em junho de 2017;
[38] ALGIERI, A., MORRONE, P., Comparative energetic analysis of high-
temperature subcritical and transcritical Organic Rankine Cycle (ORC). A biomass
application in the Sibari district, Applied Thermal Engineering, v.36, pp. 236-244,
Abril, 2012;
[39] TURBODEN, Organic Rakine Cycle Technology. Website, Disponível em
http://www.nexosonline.com/web/categorias/Energia%20Renovable/Turboden%20-
%20Biomasa/NEW%20-%20ORC%20Brochure%20leaflet%20LR.pdf, Acesso em
agosto de 2017;
[40] EXERGY, Organic Rankine Cycle for Biomass, Website, Disponível em
http://exergy-orc.com/applications/biomass, Acesso em agosto de 2017;
85
[41] SILVA, T. C., Dimensionamento de Trocadores de Calor para Recuperação de
Calor Residual em Sistema ORC de uma FPSO. Defesa de Pós-Graduação –
Universidade Federal de Itajubá, Itajubá, MG, Brasil, 2016;
[42] WIKIPEDIA, Organic Rankine Cycle, Website, Disponível em
https://en.wikipedia.org/wiki/File:Organic_Rankine_Cycle_with_Regenerator.png,
Acesso em junho de 2017
[43] MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA, Matrizes Elétricas Estaduais – Ano de
Referência: 2015, Núcleo de Estudos Estratégicos de Energia, 2016;
[44] ZHANG, X., WU, L., WANG, X., JU, G., Comparative study of waste heat steam
SRC, ORC and S-ORC power generation systems in medium-low temperatures. Applied
Thermal Engineering, v.106, pp. 1427-1439, August, 2016;
[45] ROWSHANZADEH, R., Performance and Cost Evaluation of Organic Rankine
Cycle at Different Technologies. M. Sc. Dissertação, KTH Royal Institute of
Technology, Estocolmo, Suécia.
[46] MAXXTEC, ORC Modules for electricity power generation with Organic Rankine
Cycle (ORC). Website, Disponível em http://www.maxxtec.com/en/product/power-
generation/orc-module, Acesso em maio de 2017;
[47] SPIELTHOFF, H., HEIN, K. R. G., Effect of co-combustion of biomass on
emissions in pulverized fuel furnaces. Fuel Processing Technology, v.54, n. 1-3, pp.
189-205, Março, 1998;
[48] ZOU, J., HUANG, Y., JIANG, J., ZHENG, X., SASS, R. L.,, A 3-year field
measurement of methane and nitrous oxide emissions from rice paddies in China:
Effects of water regime, crop residue, and fertilizer application. Global Biogeochemical
Cycles, v.19, n. 2, Maio, 2005;
86
[49] HAYES, M., Agricultural Residues: A Promising Alternative to Virgin Wood
Fiber. Woodconsumption.org. Website, Disponível em
http://www.woodconsumption.org/alts/meghanhayes.html, Acesso em agosto de 2017;
[50] COMPANHIA DE DESENVOLVIMENTO AGROPECUÁRIO DO PARANÁ,
Norma de Identidade, Qualidade, Embalagem e Apresentação dos Subprodutos e
Resíduos de Valor Econômico do Algodão. Website, Disponível em
http://www.codapar.pr.gov.br/arquivos/File/pdf/residalgodao_055_90.pdf, Acesso em
abril de 2017.
87
Anexo I
Primeira Lei da Termodinâmica
A primeira lei da termodinâmica é o princípio de conservação de energia. De forma
simplificada, dizemos que a variação de energia total em um sistema corresponde à
soma das trocas de energia realizadas com o meio externo por meio de trabalho e
transferência de calor. Em termos de taxas, escrevemos:
�̇� = �̇� − �̇�
ou, para um sistema que sofre uma mudança de um estado 1 a um estado 2:
𝐸2 − 𝐸1 = 1𝑄2 − 1𝑊2 = 𝑚(𝑒2 − 𝑒1) = 𝑚(𝑢2 − 𝑢1) +𝑚(𝑉2)2
2−
𝑚(𝑉1)2
2+ 𝑚𝑔𝑧2 − 𝑚𝑔𝑧1
Ou seja, a energia interna de um sistema corresponde à soma de todas as energias
cinéticas e das energias potenciais associadas às partículas que compõem um dado
sistema termodinâmico. A energia atrelada à radiação térmica confinada também integra
a energia interna e sua contribuição inclui-se usualmente na parcela de energia térmica.
Para um sistema fechado, e desprezando-se a variação de energia cinética e potencial
macroscópica, essa lei costuma ser representada pela equação:
∆𝑈 = 𝑄 − 𝑊
A energia interna U do sistema, assim como a energia potencial e a energia cinética, é
uma propriedade extensiva e traduz, em termos macroscópicos, fenômenos
microscópicos das partículas do sistema. Quando um corpo recebe calor, parte (ou todo)
deste calor tem como impacto no sistema a elevação desta energia interna, enquanto o
restante gera trabalho, obedecendo ao equilíbrio acima. Em um ciclo, ou seja, quando o
sistema percorre uma série de caminhos e volta ao seu estado inicial e, portanto,
88
apresenta a mesma energia interna, o trabalho realizado deve ser igual ao calor
fornecido ao sistema.
Calor é o termo associado à transferência de energia térmica de um sistema a outro - ou
entre partes de um mesmo sistema - exclusivamente em virtude da diferença
de temperaturas entre eles. Designa também a quantidade de energia térmica transferida
em tal processo. Segundo a equação apresentada, definimos calor como positivo quando
transferido ao sistema e negativo quando transferido pelo sistema.
Por fim, o trabalho é a medida de energia transferida pela aplicação de uma força, ao
longo de um deslocamento. Há, portanto, duas condições para que uma força realize
trabalho: que haja deslocamento e que a força (ou componente dela) seja na direção do
deslocamento. Se a força estiver no sentido do deslocamento, o trabalho é dito positivo.
Se estiver no sentido oposto, o trabalho é negativo. Na convenção aqui usada na
equação apresentada, o trabalho tem valor positivo quando realizado pelo sistema e
negativo quando realizado sobre o sistema.
Uma vez definidos energia interna, trabalho e calor, cabe introduzir a função
termodinâmica associada à Primeira Lei da Termodinâmica, a entalpia. Esta função
engloba em si não apenas a energia interna do sistema, mas também a energia
armazenada no conjunto sistema-vizinhança que, absorvida pelo sistema
via trabalho realizado pela vizinhança em processos termodinâmicos que impliquem a
diminuição de seu volume, também integra uma parcela de energia passível de ser
extraída na forma de calor a partir do referido sistema. A entalpia mensura, pois, a
totalidade de energia de alguma forma atrelada ao sistema - incluindo-se nesta não
apenas a energia encerrada no sistema como também a energia atrelada ao sistema em
virtude das relações que este estabelece com a sua vizinhança.
De acordo com o apresentado, a entalpia absoluta, ou simplesmente entalpia, H, define-
se por:
𝐻 = 𝑈 + 𝑃𝑉
89
onde U representa a energia interna do sistema e PV mensura a quantidade de energia
associada ao conjunto sistema-vizinhança devido ao fato de o sistema ocupar um
volume V quando submetido à pressão constante P, ou seja, o máximo trabalho
executável pela vizinhança sobre o sistema.
Segunda Lei da Termodinâmica
Num sentido geral, a segunda lei da termodinâmica afirma que as diferenças entre
sistemas em contato tendem a igualar-se. As diferenças de pressão, densidade e,
particularmente, as diferenças de temperatura tendem a equalizar-se. Isto significa que
um sistema isolado chegará a alcançar uma temperatura uniforme. Uma máquina
térmica é aquela que provê trabalho eficaz graças à diferença de temperatura entre dois
corpos. Dado que qualquer máquina termodinâmica requer uma diferença de
temperatura, se deriva que nenhum trabalho útil pode extrair-se de um sistema isolado
em equilíbrio térmico, isto é, requererá de alimentação de energia do exterior. A
segunda lei se usa normalmente como a razão pela qual não se pode criar uma máquina
de movimento perpétuo (moto contínuo).
A segunda lei da termodinâmica nos introduz o conceito de entropia, sendo esta definida
como uma medida do grau de irreversibilidade de um sistema. Quando um sistema
muda de um estado bem definido para outro estado bem definido, a variação de entropia
é definida como:
∆𝑆 = ∫𝜕𝑄
𝑇
𝑓
𝑖
+ 𝑆1 (𝑔𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜)2
onde i e f são, respectivamente, os estados inicial e final; δQ corresponde ao incremento
de energia térmica transferida ao sistema fechado; T, a temperatura de interface na qual
ocorre a troca; e ∆S, a variação da entropia entre os dois estados. Note-se ainda a
existência do termo [1S2,(gerado)], que, de acordo com a segunda lei, será sempre maior
ou igual a zero, sendo nulo no caso de um processo reversível.
90
Anexo II
Listas dos Municípios Maiores Produtores do Produto Agrícola
Algodão Município Produção (t)
São Desidério (BA) 477.268
Sapezal (MT) 440.800
Campo Verde (MT) 336.996
Formosa do Rio Preto (BA) 190.350
Campo Novo do Parecis (MT) 145.080
Diamantino (MT) 144.854
Riachão das Neves (BA) 144.650
Primavera do Leste (MT) 131.365
Feijão Município Produção (t)
Unaí (MG) 81.000
São Desidério (BA) 68.064
Sorriso (MT) 60.324
Cristalina (GO) 54.800
Euclides da Cunha (BA) 54.500
Luis Eduardo Magalhães (BA) 52.157
Barreiras (BA) 51.058
Paracatu (MG) 49.740
Arroz Município Produção (t)
Uruguaiana (RS) 751.684
Itaqui (RS) 587.103
Santa Vitória do Palmar (RS) 582.633
Alegrete (RS) 495.964
Dom Pedrito (RS) 419.521
São Borja (RS) 347.438
Arroio Grande (RS) 337.840
Lagoa da Confusão (TO) 261.600
Mandioca Município Produção (t)
Acará (PA) 381.000
Santarém (PA) 304.780
Araruna (PR) 264.000
Alenquer (PA) 220.000
Oriximiná (PA) 216.000
Manacapuru (AM) 207.765
Tuneiras do Oeste (PR) 205.148
Bragança (PA) 183.260
91
Milho Município Produção (t)
Sorriso (MT) 2.619.690
Jataí (GO) 1.593.000
Rio Verde (GO) 1.512.900
Maracaju (MS) 1.152.150
Nova Ubiratã (MT) 1.105.800
Sapezal (MT) 1.036.554
Nova Mutum (MT) 972.360
Ponta Porã (MS) 936.000
Trigo Município Produção (t)
Tibagi (PR) 114.000
Itaberá (SP) 95.000
Castro (PR) 75.900
Cascavel (PR) 71.815
Arapoti (PR) 63.000
Londrina (PR) 61.270
Mamborê (PR) 60.264
Guarapuava (PR) 58.728
Soja Município Produção (t)
Sorriso (MT) 1.951.710
Sapezal (MT) 1.222.500
Campo Novo do Parecis (MT) 1.197.900
Nova Mutum (MT) 1.181.830
São Desidério (BA) 1.134.000
Formosa do Rio Preto (BA) 1.123.200
Nova Ubiratã (MT) 1.118.400
Querência (MT) 1.017.600
