ANÁLISE DA IMPLANTAÇÃO DE UMA FORNALHA À BIOMASSA …

FACULDADE SATC

GUILHERME DELFINO VIEIRA

ANÁLISE DA IMPLANTAÇÃO DE UMA FORNALHA À BIOMASSA EM

UMA MÁQUINA DE SECADOR ROTATIVO NO PROCESSO

CERÂMICO: ESTUDO DE CASO DA CERÂMICA PISO FORTE.

Criciúma

Dezembro – 2016





Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso

de Graduação em Engenharia Elétrica da Faculdade

SATC, como requisito parcial à obtenção do título de

Engenheiro Eletricista.

Orientador: Prof. Dr. André Abelardo Tavares.

Coordenador do Curso: Prof. Dr. André Abelardo Tavares.

Criciúma

Dezembro - 2016





Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado

adequado à obtenção do título de bacharel em

Engenharia Elétrica e aprovado em sua forma final pelo

Curso de Graduação em Engenharia Elétrica da

Faculdade SATC.

Criciúma, (dia) de (mês) de (ano da defesa).

______________________________________________________

Professor e orientador André Abelardo Tavares, Doutor.

Faculdade SATC

______________________________________________________

Prof. Nome do Professor, Título.

Faculdade SATC

______________________________________________________

Prof. Nome do Professor, Título.

Faculdade SATC

Texto das dedicatórias. Texto das dedicatórias.



Texto das dedicatórias.

AGRADECIMENTOS

Texto de agradecimentos. Texto de agradecimentos. Texto de agradecimentos.






“Texto da epígrafe. Texto da epígrafe. Texto da epígrafe. Texto da epígrafe. Texto

da epígrafe. Texto da epígrafe. Texto da epígrafe. Texto da epígrafe.” (Autor, ano, p.)

RESUMO

As empresas buscam constantemente crescer no mercado a fim de se destacar dos concorrentes

e ter um maior alcance comercial. Reduzir os custos dos produtos e possuir uma boa qualidade

é uma das formas encontradas para obter esse destaque necessário. Em uma empresa cerâmica,

um dos maiores gastos de produção é com a energia elétrica e gás natural utilizados. Sendo

assim, a presente pesquisa aborda uma análise de viabilidade para modificação no sistema

térmico utilizado em um secador rotativo em uma indústria cerâmica, apresentando um estudo

de caso da Cerâmica Piso Forte, com o propósito de reduzir os gastos com a produção, e

consequentemente, o valor final do produto. Este projeto expõe por meio de conceitos descritos

na fundamentação teórica uma base sobre o processo de fabricação cerâmica de revestimentos,

caracteriza alguns tipos de fontes de energia, e a energia térmica produzida pelas

mesmas. Trata-se de uma pesquisa exploratória e de caráter qualitativo e quantitativo, que se

utilizando das análises técnicas e econômicas apresenta quais as vantagens que a substituição

de uma fornalha a gás natural por uma fornalha à biomassa, utilizando briquetes, pode trazer

econômica e ambientalmente à empresa.

Palavras-chave: Cerâmica, Fontes Energéticas, Fornalha.

LISTA DE FIGURAS

Fig. 1 – Processo de fabricação Cerâmica [Do autor, 2016] .................................................... 15

Fig. 2 – Secador Rotativo contínuo para secagem de argila [2, adaptado]............................... 16

Fig. 3 – Gráfico Divisão de Fontes Energéticas no Brasil 2014 e 2015 [9; 10, adaptado] ...... 18

Fig. 4 – Gráfico consumo energia Mundial [11, adaptado] ...................................................... 19

Fig. 5 – Menu de navegação ferramenta GHG [19, adaptado] ................................................. 27

Fig. 6 – Gráfico Consumo Setorial Gás Natural [9, adaptado] ................................................ 28

Fig. 7 – Modelo Cíclico de uma Máquina Térmica [31, adaptado].......................................... 36

Fig. 8 – Tipos de fornalhas para diferentes tipos de combustíveis [8, adaptado] ..................... 36

Fig. 9 – Tipo de queimador de gás natural [35] ........................................................................ 40

LISTA DE TABELAS

Tab. 1 – Poderes caloríficos de algumas fontes energéticas [11; 15] ....................................... 21

Tab. 2 – Densidades de diferentes tipos de fontes energéticas [11; 15] ................................... 22

Tab. 3 – Composição molecular de diferentes fontes energéticas [17] .................................... 22

Tab. 4 – Custos de Empreendimento Termelétrico de Diferentes Fontes [Do Autor, 2016] ... 23

Tab. 5 – Custos por tipo de Biomassa [Do Autor, 2016] ......................................................... 24

Tab. 6 – Descrição do tipo da frota de veículos no método GHG [19, adaptado] .................... 28

Tab. 7 – Custos m³ Gás Natural Industrial [24, adaptado] ....................................................... 32

LISTA DE ABREVIAÇÕES

SIGLAS

ANP ___ Agência Nacional do Petróleo

ANEEL ___ Agência Nacional de Energia Elétrica

BEN ___ Balanço Energético Nacional

CA ___ Consumo Aparente do combustível

CAUE ___ Custo Anual Equivalente

CC ___ Cálculo do Consumo de Energia

CO ___ Monóxido de Carbono

CO2 ___ Dióxido de Carbono

CONAMA ___ Conselho Nacional do Meio Ambiente

EPE ___ Empresa de Pesquisa Energética

EUA ___ Estados Unidos da América

FCfix ___ Fração de Carbono Fixado

FCO ___ Fração Fixada de Carbono

Fcorr ___ Fator de correção

Fconv ___ Fator de conversão

Femiss ___ Fator de emissão de Carbono

GEE ___ Gases do Efeito Estufa

GNL ___ Gás Liquefeito

H ___ Hidrogênio

IPCC ___ Painel Intergovernamental de Mudanças Climáticas

Mbio ___ Massa da Biomassa

Mbio granel ___ Resíduos de massa até encher volume

NOx ___ Óxido de Carbono

OEEE ___ Oferta Interna de Energia Elétrica

SATC ___ Associação Beneficente da Indústria Carbonífera de Santa Catarina

SOx ___ Dióxido de Enxofre

TGx ___ Tarifa Industrial de Gás natural do tipo x

TGCC ___ Turbina a gás de ciclo combinado

TGCS ___ Turbina a gás de ciclo simples

TIR ___ Taxa Interna de Retorno

TMA ___ Taxa Mínima de Atratividade

VAUE ___ Valor Anual Equivalente

VPL ___ Valor Presente Líquido

WRI ___ World Resources Institute

SÍMBOLOS

Cm Cm Unidade de medida em centímetros

Cm² Cm² Unidade de área em centímetros quadrados

D Kg/m³ Densidade

EJ J ExaJoule

ELC GgC Emissões Líquidas de Carbono

ERC GgC Emissões Reais de Carbono

ERCO2 GgC Emissões Reais de CO2

IW Kcal/Sm³ Índice de Wobbe

PCI kcal/kg Poder Calorifíco Inferior

PCS kcal/kg Poder Calorifíco Superior

QA KW/m² Potência Térmica Superfície da Grelha

QC GgC Quantidade de Carbono

QCF GgC Quantidade de Carbono Fixado

QV KW/m³ Potência Térmica Volumétrica da Fornalha

Kg Kg Unidade de peso em quilogramas

KWh KWh Unidade de Potência em kilowatt/hora

MWh MWh Unidade de Potência em Megawatt/hora

M² M² Unidade de área em metros quadrados

M³ M³ Unidade de volume em metros cúbicos

Tep J Tonelada equivalente de petróleo

Ton Kg Tonelada

TWh TWh Unidade de Potência em Terawatt/hora

V M³ Volume da biomassa

Vf M³ Volume da Fornalha

Kg/m³ Massa específica

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................. 13

1.1 JUSTIFICATIVA E CONTRIBUIÇÕES ........................................................................ 13

1.2 OBJETIVO GERAL ........................................................................................................ 14

1.3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ........................................................................................... 14

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ................................................................................... 15

2.1 PROCESSOS CERÂMICOS ........................................................................................... 15

2.2 BIOMASSA ..................................................................................................................... 18

2.2.1 PROPRIEDADES DA BIOMASSA .......................................................................... 20

2.2.2 ASPECTOS ECONÔMICOS .................................................................................... 23

2.2.3 IMPACTO AMBIENTAL .......................................................................................... 24

2.3 GÁS NATURAL ............................................................................................................. 28

2.3.1 PROPRIEDADES DO GÁS NATURAL .................................................................. 30

2.3.2 ASPECTOS ECONÔMICOS .................................................................................... 31

2.3.3 IMPACTO AMBIENTAL .......................................................................................... 32

2.4 VIABILIDADE DO PROJETO ....................................................................................... 33

2.4.1 VPL ............................................................................................................................... 33

2.4.2 TIR ................................................................................................................................ 34

2.4.3 PAYBACK ..................................................................................................................... 35

2.5 MÁQUINAS TÉRMICAS ............................................................................................... 35

2.5.1 FORNALHA À BIOMASSA ...................................................................................... 37

2.5.2 FORNALHA À GÁS NATURAL .............................................................................. 39

3 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS ................................................................... 41

4 ANÁLISE E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS .......................................................... 42

5 CONCLUSÕES ................................................................................................................. 43

REFERÊNCIAS ..................................................................................................................... 44

13

1 INTRODUÇÃO

Com o aumento da industrialização, o surgimento de novas empresas e,

consequentemente, o crescimento da demanda de energia elétrica utilizada no Brasil, a

sociedade vem se preocupando mais com o meio ambiente e buscando novas alternativas de

fontes de energias e uma geração mais sustentável.

Reduzir o desperdício de energia e optar por fonte renováveis, além de diminuir o

impacto ambiental reflete também na questão econômica das empresas. Essa preocupação com

os custos de produção é um fator também que vem sendo bastante debatido. Para produzir um

produto com uma boa qualidade e se destacar da concorrência, as empresas vêm investindo

cada vez mais em maquinários e em profissionais capacitados, o que gera um aumento de

despesas na empresa e dos produtos.

Partindo então desse princípio, da sustentabilidade e economia, o presente estudo,

que aborda a temática de energia térmica, visa a solucionar o problema de como a substituição

de uma fornalha a gás por uma de biomassa pode reduzir os gastos de produção de uma cerâmica

do sul catarinense. O trabalho apresenta um estudo de caso da cerâmica Piso Forte

Revestimentos Cerâmicos, de Criciúma/SC, onde a fornalha à biomassa será aplicada em um

secador rotativo utilizado no processo produtivo da fábrica.

Para atingir os resultados desejados, fez-se necessária uma abordagem teórica, que

apresenta uma breve introdução ao processo de fabricação cerâmica de revestimentos, expõe

conceitos de fontes de energias e energia térmica. Já para a parte da análise, foram

desenvolvidos estudos de viabilidade técnica e econômica da utilização de briquete na fornalha

à biomassa, a fim de determinar as vantagens que a implantação dessa fornalha pode trazer à

indústria, o retorno financeiro desse investimento, o impacto na qualidade do produto e no meio

ambiente.

1.1 JUSTIFICATIVA E CONTRIBUIÇÕES

Com a grande competitividade no mercado, as indústrias estão buscando

alternativas para redução dos custos de produção, fazendo seus produtos se destacarem dentre

os demais e assim obterem mais lucros.

No mercado cerâmico, o gás natural é um dos elementos que gera o maior custo de

produção. Uma alternativa para a redução seria a implantação de uma fornalha à biomassa para

geração de energia térmica em um secador rotativo para substituição de uma fornalha a gás.

14

O projeto torna-se de grande importância para a empresa, pois diminuirá os custos

de produção, tendo maior estabilidade no processo e, consequentemente, melhor qualidade no

produto final. Além disso, existe a possibilidade da empresa permanecer com as duas opções

de fornalhas, podendo alterar os combustíveis caso haja mudanças nos preços dos materiais no

mercado.

Na área de engenharia o estudo se mostra relevante por mostrar a utilização de uma

energia mais limpa aliada a preocupação com o meio ambiente, um fator importante nos dias

atuais, onde a preservação dos recursos naturais e a diminuição da poluição vem sendo bastante

discutido. Essa questão ambiental proporciona também uma melhor imagem para a empresa no

mercado.

O projeto para o autor é importante pois contribui com o seu crescimento

profissional dentro de sua área de atuação, a indústria cerâmica.

1.2 OBJETIVO GERAL

Analisar a viabilidade técnico-econômica e o impacto ambiental da implantação de

uma fornalha à biomassa para substituição de uma fornalha a gás, em uma indústria cerâmica

de via seca do sul catarinense, a fim de reduzir os custos de produção.

1.3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

- Diferenciar o funcionamento de fornalhas a gás natural e à biomassa;

- Analisar a possibilidade técnica de implantação de uma fornalha à biomassa;

- Determinar o impacto dessa substituição no processo de fabricação e na qualidade

final da peça cerâmica;

- Verificar o impacto ambiental provocado por ambas as tecnologias; e

- Calcular a viabilidade para implantação da fornalha à biomassa, analisando o

retorno financeiro e ambiental.

15

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

Este capítulo apresentará os conceitos dos assuntos abordados neste projeto para

auxiliar na compreensão da pesquisa. Fornecerá - por meio de conceitos referentes ao processo

de fabricação cerâmica, fontes de energia e sobre energia térmica - o embasamento teórico

necessário para o desenvolvimento desta pesquisa.

2.1 PROCESSOS CERÂMICOS

Os processos cerâmicos podem se diferenciar de acordo com o tipo de material

desejado. Em uma visão macro, entende-se que esses se resumem em preparação da matéria-

prima e massa, conformação das peças, tratamento térmico e acabamento, o que pode ser

melhor observado na Fig. 1 [1].

Fig. 1 – Processo de fabricação Cerâmica [Do autor, 2016]

Como observado na Fig. 1, o processo de fabricação cerâmica inicia pela preparação

da massa. As cerâmicas são normalmente fabricadas por dois ou mais tipos de matérias-primas,

basicamente argilas. Devido aos diferentes tipos de argilas utilizadas, é necessário passar pelo

processo de dosagem que segue uma rigorosa formulação, esta influenciará nos processos

posteriores e na qualidade das placas [1].

16

Dentro dessa fase de preparação da massa são utilizados secadores rotativos de

funcionamento contínuo com intuito de retirar a umidade do material de acordo com a Fig. 2.

Fig. 2 – Secador Rotativo contínuo para secagem de argila [2, adaptado]

O material entra no secador com umidade de aproximadamente 20%, já em contato

com o ar quente gerado pela fornalha. O tambor possui formato cilíndrico, gira em torno do seu

próprio eixo e possui uma inclinação referente ao plano horizontal no sentido da saída para

facilitar a ida do material ao fim e sair com umidade máxima de 3,5%.

Nesse secador, o calor é transferido por meio das paredes metálicas e convecção

com auxílio de corrente gasosa gerada pelo ventilador que também tem o objetivo de retirar o

vapor produzido pela evaporação e transportar ao filtro manga, que tem a função de separar os

gases e as partículas [3].

Passada a etapa de composição do material, a massa (matérias-primas) passa pelo

processo de moagem, que tem por objetivo a fragmentação e homogeneização dela. O grau de

moagem, além de alguns fatores físico-químicos, pode intervir na velocidade de decomposição

das partes inorgânicas durante a queima. Também se destaca que nesse processo com a alta

reatividade, gera-se uma melhor característica mecânica do material queimado [4; 5].

Regularmente, após a moagem, os resíduos para massas monoporosa e biqueima

são em torno de 4 a 6%, e nas massas vermelhas inferiores a 4% [4; 5].

Depois da moagem, as matérias passam pela granulação, que é o processo que

consiste em fazer com que partículas muito finas (pó) se juntem e formem uma partícula maior.

Nesse processo, tem-se também outro objetivo: ter um controle da umidade do processo que é

de acordo com a massa utilizada, seca ou úmida [6].

17

Depois da massa pronta e armazenada em silos, passa-se para a etapa de

conformação. Nesse processo, a massa é inserida nas cavidades da prensa hidráulica onde são

submetidos a uma alta pressão com o objetivo de alcançar a máxima homogeneização dos

grânulos que a compõem e uma elevada densidade a verde, mas sendo obedecidos os requisitos

para que não haja problemas na queima, como coração negro.

Após a conformação da peça, tem-se o processo de secagem cuja função é de

eliminar uniformemente a umidade de todas as peças, deixando-as menor que 1% e, com isso,

aumentando também a resistência do biscoito. Assim, é possível passar pelos próximos esforços

mecânicos e manter a temperatura na saída constante, não variando o processo da esmaltação

[3; 5].

A etapa de esmaltação abrange a aplicação dos esmaltes impermeabilizantes e a

serigrafia na cobertura da peça, para dar o toque estético da peça e fornecer algumas melhoras

relacionadas, por exemplo, à higiene e à resistência. O esmalte e o engobe são normalmente

aplicados por campanas, tem uma aplicação de véu contínuo com velocidade e espessura

constantes [1; 5].

Com as peças decoradas e esmaltadas, chega-se à etapa de queima do produto, que

consiste na parte de maior importância do processo onde será feita a parte de fusão de todos os

componentes da massa e do esmalte. Tais reações têm como consequência estar dentro de

limites pré-estabelecidos de retração e absorção de água.

Pode-se dividir em três etapas: a) a pré-queima (que faz evaporar os materiais

orgânicos antes da queima); b) a queima, com temperaturas que podem chegar a 1200ºC, define

também a perda do material (retração) e soldagem dos grãos; c) e o resfriamento, tem o intuito

de baixar a temperatura da peça por meio da ventilação forçada [3; 4].

Com as peças prontas, têm-se a última etapa do processo, a classificação, que tem

o objetivo de distribuí-las em classes ou grupos. Após a classificação, as peças estão prontas

para o encaixotamento e paletização, para assim seguirem para a expedição, onde serão

estocadas e, posteriormente, comercializadas [3].

Em algumas etapas do processo cerâmico como no secador rotativo é utilizado a

fornalha, ou seja, é necessário um combustível para a queima. Nos próximos subitens serão

analisados a biomassa e o gás natural como fonte energética.

18

2.2 BIOMASSA

Em épocas passadas, a 1.000.000 a.C., as preocupações com as fontes energéticas

eram poucas devido à baixa população. Naquela época, geralmente se utilizava a biomassa e

não havia a preocupação com a falta de recursos.

Mas, com o passar dos anos, o aumento de população e o acréscimo do consumo de

energia solicitou a busca por fontes de energias primárias alternativas. Assim, outros tipos de

fontes energéticas surgiram para geração, como o hidráulico, o carvão mineral, petróleo e os

derivados, como gás natural [7].

Dentre esses vários tipos de fontes energéticas, elas podem ser classificadas de

acordo com a origem (fóssil, renovável e nuclear), com a obtenção (natural ou derivados) e

estado físico (sólido, líquido e gasoso) [8]. Como exemplos de energias renováveis, pode ser

citada a biomassa e os potenciais hidráulicos, e para os não-renováveis (fóssil e nuclear), têm-

se o carvão mineral, petróleo e derivados, materiais fósseis e gás natural [7].

Conforme o BEN 2016 (Balanço Energético Nacional 2016), o consumo final por

fontes apresentou um total de 260.684 10³ tep, destes a biomassa foi responsável por um

consumo de 71.413 10³ tep e desses foram absorvidos pela cerâmica um total de 2.356 10³ tep

[9].

Em 2014, teve-se uma Oferta Interna de Energia Elétrica (OEEE) no Brasil de

624,3 TWh, desses 46,2 TWh são oriundos da biomassa. Em 2015, foram oferecidos 615,9

TWh, onde 49 TWh disponibilizados pela mesma, passando a produção de energia renovável

de 74,5 % para 75,5 %, de acordo com a Fig. 3 [9; 10].

Fig. 3 – Gráfico Divisão de Fontes Energéticas no Brasil 2014 e 2015 [9; 10, adaptado]

A capacidade instalada de geração elétrica no Brasil teve um aumento de 5,18%

passando de 133.913 MW para 140.858 MW. Seguindo a mesma linha de aumento do Brasil,

19

conforme a Agencia Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) a biomassa também apresentou

um acréscimo da capacidade, passou de 12.341 MW para 13.257 MW [9; 10].

Já no âmbito mundial tem-se a maior contribuição de energia renovável do mundo

nessa fonte e possui a possibilidade de expansão para geração de calor, eletricidade e

combustíveis. Fornece 52 EJ globalmente, o que representa cerca de 10% do consumo da

energia global. Desses, 65% é de uso residencial e 35% industrial, de acordo com a Fig. 4 [11].

Fig. 4 – Gráfico consumo energia Mundial [11, adaptado]

A biomassa foi uma das primeiras matérias-primas a ser utilizada pelo homem,

principalmente para o uso térmico. Ela provém de matérias vivas e resíduos de sólidos urbanos,

agricultura e industriais. Pode ser dividida em:

Sólidos: Resíduos de madeira, bagaço de cana-de-açúcar, briquete;

Líquidos: Etanol, biodiesel; e

Gasoso: Decomposição de resíduos de animais.

Com os avanços tecnológicos, houve um retrocesso nessa utilização e passou-se a

ter como principal fonte de energia os combustíveis fósseis com destaque ao carvão, ao petróleo

e ao gás natural [12].

A disponibilidade tem como base as atividades rurais e urbanas. Na rural um fator

relevante é a necessidade de uma área grande, mas em contrapartida podem ser gerados por

meio de atividades que não tem o objetivo de aproveitamento energético, mas sim gerando-se

biomassa como subprodutos. Na geração de biomassa por meio de resíduos urbanos alguns

fatores precisam ser ressaltados, como a população, renda e serviço de coleta [13].

No Brasil em 2014, teve-se uma ocupação agrícola de 80 milhões de hectares, tendo

a perspectiva de crescimento de 79%, passando à 137 milhões de hectares em 2050. O meio

20

rural tem a maior contribuição da fonte com a cana-de-açúcar, que é um dos casos de sucessos

no Brasil. A matéria é utilizada para se fazer açúcar, etanol e, por fim, com os restos do bagaço,

folhas secas e podas têm-se a possibilidade da queima direta em fornalhas ou a fabricação de

briquetes. Está atividade disponibilizou para bioeletricidade em torno de 27 Mtep, em 2050 a

biomassa de cana deve atingir 47 Mtep [13].

Os resíduos sólidos são formados por materiais da coleta residencial, restos de

podas e varrição. No Brasil a produção per capita em 2015 é de 0,37 toneladas por ano, projeta-

se que em 2050 alcançara até 0,50 ton./ano [13].

Baseado nas projeções da Empresa de Pesquisa Energética (EPE), a oferta de

biomassa em modo geral continuará crescendo, também faz necessário a análise em questão da

logística, onde é preciso o uso de transporte rodoviário ou ferroviário, consequentemente

gerando um valor agregado elevado, também acrescentando na dificuldade a pouca densidade

do material, que fica em torno de 300 kg/m³, diferente dos outros combustíveis como o gás

natural que tem uma maior facilidade de transporte por meio de tubulações [12].

Um dos fatores associado diretamente com a logística são as propriedades da

biomassa como a densidade e massa específica.

2.2.1 PROPRIEDADES DA BIOMASSA

As principais propriedades para caracterização da biomassa são os poderes

caloríficos, teor de umidade, massa específica e densidade.

Os materiais que possuem hidrogênio (H), quando queimados, geram água que pode

ser liberada na forma líquida ou de vapor. Então, esses combustíveis apresentam dois tipos de

poderes caloríficos: a) o superior que é a quantidade de calor liberado na queima quando a água

produzida na combustão está no estado líquido; b) e inferior equivalente à liberação de vapor

d’água durante a queima [14].

A Tab. 1 apresenta os valores dos poderes caloríficos superior (PCS) e poderes

caloríficos inferiores (PCI), de diferentes fontes energéticas.

21

Tab. 1 – Poderes caloríficos de algumas fontes energéticas [11; 15]

Poder calorífico Superior

kcal/kg

Poder calorífico Inferior

kcal/kg

Bagaço da cana 2257 2130

Carvão Vegetal 6800 6460

Gás Natural Seco 9256 8800

Gás Natural Úmido 10454 9930

Lenha Comercial 3300 3100

Petróleo 10800 10800

Casca de Arroz 3800 -

Analisando os dados da Tab. 1, verifica-se que o poder calorífico da biomassa está

relacionado diretamente com o tipo de material utilizado, outro fator que interfere nas fontes

energéticas é o teor de umidade.

O teor de umidade é definido pela quantidade de água contida na biomassa e tem

relação com a sua origem, ou seja, podem ser divididos em duas situações: a) se são deixados

à exposição do tempo chegam à ter umidade de até 55%; b) e quando as matérias são secas por

processos térmicos chegam a 8%. O teor da biomassa está relacionado inversamente com a

energia liberada durante a queima e a eficiência do processo [15; 16]. Além da umidade e

poderes caloríficos é necessário mencionar a massa específica para definir as propriedades da

biomassa.

A massa específica é denominada por dois tipos, massa específica e massa

específica aparente. A primeira é a relação entre a massa contínua de biomassa e pelo volume

que ocupa, de acordo com a Eq. (1):

𝜌 =𝑚𝑏𝑖𝑜

𝑉 (

𝑘𝑔

𝑚3) (1)

Onde:

mbio = Massa da biomassa [kg]; e

V = Volume da biomassa [m³].

A Eq. (1) se aplica apenas quando a matéria for contínua, não se aplica a resíduos

que, nesse caso, é utilizado o conceito da massa específica aparente, de acordo com a Eq. (2)

[16].

22

𝜌 =𝑚𝑏𝑖𝑜𝑔𝑟𝑎𝑛𝑒𝑙

𝑉 (

𝑘𝑔

𝑚3) (2)

Onde:

mbiogranel = Resíduos da massa até encher volume [kg]; e

V = Volume da biomassa [m³].

A Eq. (2) é definida pela massa total armazenada num volume dividido pelo valor

desse volume, outra propriedade que está relacionada com a massa específica é a densidade

[16].

A densidade é um parâmetro importante em relação à compactação, quanto maior

a densidade maior a razão entre energia/volume. Outro fator relevante é a questão da logística

que influenciará diretamente no transporte e armazenamento. Essa pode ser dividida em dois

tipos, densidade aparente e densidade a granel. A primeira é importante em relação à qualidade

do produto, já a segunda é importante em relação ao transporte e armazenamento [15]. A Tab.

2 apresenta valores de densidades de diferentes tipos de fontes energéticas.

Tab. 2 – Densidades de diferentes tipos de fontes energéticas [11; 15]

Densidade

kg/m³

Densidade

kg/m³

Briquete (Bagaço da cana) 130 Lenha comercial 390

Briquete (Casca de Arroz) 1100 Petróleo 884

Carvão Vegetal 250

Gás Natural Seco 0,740

Gás Natural Úmido 0,740

Analisando a Tab. 2, verifica-se que o gás natural possui menor densidade,

enquanto o briquete possui a maior. Além da dessa propriedades, pode-se definir a composição

química da biomassa, de acordo com a Tab. 3:

Tab. 3 – Composição molecular de diferentes fontes energéticas [17]

Material Elementos (%)

C H N S O

Briquetes de cana 45,3 6,8 0,5 0,3 47,1

Briquetes de madeira 48,2 6,5 0,1 0,2 45,1

Briquete de arroz 39,1 5,8 0,3 0,1 54,7

23

Na Tab. 3, verifica-se que a composição principal dos briquetes são Carbono (C),

Hidrogênio (H) e Oxigênio (O), e não chegando a 1% o Nitrogênio (N) e o Enxofre (S).

Algumas dessas propriedades das fontes energéticas, são diretamente relacionadas aos custos

dos combustíveis.

2.2.2 ASPECTOS ECONÔMICOS

Apresentam-se neste item alguns parâmetros técnicos e econômicos que serão

utilizados no estudo e são empregados nas duas tecnologias, tais como: vida útil do

equipamento e a taxa de desconto1. O valor habitual da duração destes tipos de equipamento

são de 20 anos, a taxa de desconto em 10%. Outros custos referentes a cada matéria-prima de

biomassa utilizada serão mencionados.

Alguns custos de empreendimentos de termelétrica com uso da biomassa e gás

natural podem ser analisados, no gás é dividido em dois modos: a) turbina a gás de ciclo simples

(TGCS); b) e turbina a gás de ciclo combinado (TGCC) [13].

Na Tab. 4, é demonstrado os valores de alguns empreendimentos.

Tab. 4 – Custos de Empreendimento Termelétrico de Diferentes Fontes [Do Autor, 2016]

Custo Mínimo Custo Máximo

Biomassa de cana US$ 337/kW US$ 2.002/kW

Biomassa florestal US$ 1133/kW US$ 1199/kW

Biomassa de resíduos - US$ 1565/kW

Gás natural – TGCS US$ 500/kW US$ 933/kW

Gás natural – TGCC US$ 627/kW US$ 1289/kW

Analisando a Tab. 4, verifica-se que alguns fatores estão relacionados diretamente

ao custo de implantação da termelétrica à biomassa, o principal é a distância entre

empreendimento/fornecedor. As variações de valores deve-se a relação com a potência, que

quanto maior essa menor será o custo do empreendimento.

Após a análise de custo de empreendimento, necessita-se o levantamento dos custos

dos combustíveis. A biomassa pode ser obtida a partir de materiais sólidos, líquidos e gasosos.

A Tab. 5, apresenta os custos de cada matéria e também as suas possíveis derivações.

1 Taxa de Desconto é considerado 10% em alterações de projeto em que a tecnologia seja nacional, caso seja

internacional é 15%.

24

Tab. 5 – Custos por tipo de Biomassa [Do Autor, 2016]

Custo

Picado a granel US$ 11~24 /t

Peletização US$ 24~29 /t

Briquetagem US$ 40~47 /t

Biomassa Florestal Lenha US$ 15/m³

Biomassa de Resíduos

Resíduos Agrícolas US$ 37,5 /t

Resíduos de Pecuária Confinada US$ 15 /t

Resíduos de Sólidos Urbanos US$ 3,3 ~ 18 /t

Na Tab. 5, verifica-se uma variação nos valores da biomassa de cana, um dos

motivos é a densidade que está diretamente relacionada ao preço, e também a distância do local

de uso.

A biomassa apresenta algumas vantagens em relação aos demais combustíveis,

como técnico-operacionais, socioambientais e a possibilidade de implantação da usina próxima

ao centro de carga diminuindo as linhas de transmissões.

Tem-se nessa fonte uma energia renovável e com emissão de Dióxido de Carbono

(CO2) na queima considerado nulo, isto é, a liberação do CO2 é a mesma necessitada pela planta

para fazer a fotossíntese. Outra vantagem também é a reutilização dos materiais não os

descartando de forma inadequada [13].

Esse tipo de fonte é altamente confiável, enfatizando a biomassa sólida observa-se

uma estrutura barata e também uma menor corrosão dos equipamentos [13].

Além de algumas vantagens do uso da biomassa, essa possui alguns impactos

ambientais que são necessários identificar no estudo do projeto.

2.2.3 IMPACTO AMBIENTAL

Considerando que o uso da biomassa é basicamente térmico, os impactos são mais

incisivos na construção e operação da usina. Alguns itens serão analisados para a compreensão

do impacto, são eles:

Uso e ocupação do solo: no geral os impactos não são expressivos, pois ocupam

uma pequena área;

25

Transporte da biomassa: Impacto na questão onde haverá poluição do ar e sonora

ocasionado pelo tráfego de veículos e mudanças no trânsito local. Com esses

casos geram-se a saída da fauna local;

Produção de rejeito líquido: A água utilizada no processo se lançada de maneira

incorreta podem afetar a qualidade da água e do solo;

Emissões de gases: Considera-se a biomassa uma fonte benéfica, devido à

consideração de que a biomassa plantada, o CO2 emitido é o mesmo que foi

absorvido da atmosfera, tornando-o nulo; e

Recursos hídricos: Redução da disponibilidade hídrica [13].

A biomassa necessita de transporte para fazer a sua utilização, ou seja, nesse

processo há geração de emissão de CO2 que interfere no efeito estufa. Há três métodos para a

quantificação dessa emissão em relação ao transporte rodoviário: Método Top-Down, Método

Bottom-up e ferramenta GHG Protocol.

Na metodologia Top-Down é definido os valores de emissões CO2, por intermédio

dos dados de produção e consumo de energia, sem ênfase no modo que é consumida a energia.

Esse método é formado por seis passos, que possibilitará no final a real emissão de CO2 [18].

No primeiro passo é realizado o Cálculo do Consumo de Energia (CC), que é

definido pela Eq. (3):

𝐶𝐶 = 𝐶𝐴 𝑥 𝐹𝑐𝑜𝑛𝑣 𝑥 45,2𝑥10−3 𝑥 𝐹𝑐𝑜𝑛𝑣 (𝐺𝑔𝐶) (3)

Onde:

CA = Consumo Aparente do Combustível [m³];

Fconv = Fator de conversão [tep/unidade física]; e

Fcorr = Fator de correção [adimensional];

No próximo passo é realizado o cálculo do Quantidade de Carbono (QC), que é

definido pela multiplicação de CC por Femiss (Fator de Emissão de Carbono), de acordo com a

Eq. (4):

𝑄𝐶 = 𝐶𝐶 𝑥 𝐹𝑒𝑚𝑖𝑠𝑠 𝑥10−3 (𝐺𝑔𝐶) (4)

26

No terceiro passo é mensurado a Quantidade de Carbono Fixado (QCF). É

mensurado quando os combustíveis são usados para fins não energéticos. O cálculo é realizado

pela multiplicação QC por Fração de Carbono Fixado (FCfix) que é variável de acordo com o

combustível utilizado, o passo é representado pela Eq. (5) [18]:

𝑄𝐶𝐹 = 𝑄𝐶 𝑥 𝐹𝐶𝑓𝑖𝑥 (𝐺𝑔𝐶) (5)

No quarto passo é definido as Emissões Líquidas de Carbono (ELC), representa a

subtração do carbono existente no combustível pelo QCF, como é descrito na Eq. (6):

𝐸𝐿𝐶 = 𝑄𝐶 − 𝑄𝐶𝐹 (𝐺𝑔𝐶) (6)

O quinto passo determina as Emissões Reais de Carbono (ERC), ou seja, é definido

que o carbono não é oxidado totalmente e portanto tem a necessidade da correção da emissão.

É calculado pela multiplicação ELC por Fração de Carbono Oxidada (FCO), de acordo com a

Eq. (7) [18]:

𝐸𝑅𝐶 = 𝐸𝐿𝐶 𝑥 𝐹𝐶𝑂 (𝐺𝑔𝐶) (7)

No último passo é feito o cálculo das Emissões Reais de CO2 (ERCO2). É calculado

através da quantidade de carbono em uma molécula de CO2. Então é realizado a multiplicação

de ERC pela razão do peso molecular do CO2 e do CO, de acordo com a Eq. (8) [18]:

𝐸𝑅𝐶𝑂2 = 𝐸𝑅𝐶 𝑥 44

12 (𝐺𝑔𝐶) (8)

Dessa forma, é apresentado o método top-down, que tem fácil levantamento dos

dados para definir a emissão dos diferentes combustíveis. O segundo método a ser apresentado

é o Bottom-up [18].

Já no método Bottom-up, todos os gases causadores do efeito estufa independentes

são definidos de forma completa, ou seja, só é obtido o resultado quando se têm todos os dados

disponíveis como: modo de transporte, combustível utilizado, características operacionais,

controle de emissão, métodos de manutenção e idade da frota. No setor de transporte é

determinado de forma geral pela Eq. (9) [18]:

27

𝐸𝑚𝑖𝑠𝑠õ𝑒𝑠𝑖 = 𝐹𝐸𝑖𝑎𝑏𝑐 𝑥 𝐴𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒𝑎𝑏𝑐 (9)

Onde:

Emissõesi = Emissões de uma gás i;

FE = Fator de emissão do gás i;

Atividade = Quantidade de energia consumida por uma fonte móvel;

i = Gás ( CO2, CO, NOx, CH4, etc.);

a = Tipo de combustível;

b = Tipo de veículo; e

c = Controle de emissão.

Outro método para quantificar as emissões de gases do efeito estufa (GEE) é por

meio da ferramenta GHG Protocol, que foi desenvolvida nos EUA em 1998 pela World

Resources Institute (WRI). É o método mais utilizado pelas empresas para inventários de GEE,

está de acordo com a norma ISO 14.0642 e com o Painel Intergovernamental de Mudanças

Climáticas (IPCC) [19].

Nesse método é definido as emissões de GEE em separados escopos, de acordo com

a Fig. 5:

Fig. 5 – Menu de navegação ferramenta GHG [19, adaptado]

No primeiro passo é definido na aba introdução o ano do inventario, após é

determinado no escopo 1 a combustão estacionária, onde é realizado o preenchimento do

combustível utilizado e quantidade. Já na combustão móvel, é mensurado as emissões causadas

pelo transporte para o uso do combustível, de acordo com a Tab. 6 [19].

2 ISO 14.064 é uma norma internacional que expõe as emissões de gases do efeito estufa espontaneamente

analisados.

28

Tab. 6 – Descrição do tipo da frota de veículos no método GHG [19, adaptado]

Registro da Frota Descrição da fonte Tipo da frota de veículos Ano da frota Distância anual

(km)

Frota- 016 Motos-Unidade MG Motocicleta flex etanol 2011 20000

Na Tab. 6, é estabelecido o tipo de veículo, ano e a distância anual percorrida. Após

realizar a análise da combustão estacionária e móvel, é gerado um relatório com todos as

emissões do GEE e quantidade de cada [19].

As emissões de CO2 pela biomassa e outros tipos de energias renováveis é a grande

diferença na questão ambiental entre essas fontes e as alternativas fósseis, como por exemplo,

o gás natural [12].

2.3 GÁS NATURAL

A condição de renovabilidade da biomassa é um dos principais fatores para sua

utilização em substituição aos combustíveis fósseis, entretanto, questões como as novas

tecnologias fizeram os combustíveis como gás natural, carvão mineral e petróleo se tornarem

as principais fontes de energia atualmente [12].

O gás natural vem sendo considerado cada dia mais importante para a geração de

energia mundial, devido a sua estabilidade e o baixo número de emissões de poluentes em

comparação a outras fontes fósseis, como o carvão e os derivados de petróleo [20].

O gás natural teve diminuições no consumo final por fonte e na OEEE. Esta fonte

apresentou uma média diária de produção no total de 96.200 10³ m³/dia, nestes já incluídos os

50.400 10³ m³/dia importados. Com isso, a participação na matriz energética brasileira é de 13,7

%. A Fig. 6, apresenta o consumo por setor do gás natural [9].

Fig. 6 – Gráfico Consumo Setorial Gás Natural [9, adaptado]

29

De acordo com a Fig. 6, o consumo industrial em 2015 foi de 9.941 10³ tep,

apresentando um aumento de 25,4% à 26,4%. Já a participação do gás natural na geração de

energia elétrica teve um retrocesso de 0,4% em relação a 2014, seguindo a mesma linha da

redução os demais setores, sendo o uso não energético o único que se manteve estável em 1,8%.

O gás apresentou um decréscimo de 2,0% na geração térmica incluindo

autoprodutores e usinas de serviços públicos. Em 2015 apresentou um total de 79.490 GWh

contra 81.073 GWh em 2014, sendo que o total da geração de todas as fontes em 2015 teve uma

redução, passou de 624,3 TWh para 615,9 TWh. Essa fonte teve uma participação de 39,7% de

todas as termelétricas em 2015, incluindo biomassa 24,5%, derivados de petróleo 18,3% e os

17,5 % restantes sendo nuclear e carvão [9; 10].

Em relação a fonte no cenário mundial tem-se um aumento de 1,1% no consumo,

chegando a 3,3 trilhões de m³, sendo os principais responsáveis por este incremento à China

com 15,3 bilhões de m³ e os Estados Unidos (EUA) com 14,2 bilhões de m³. Com relação aos

maiores consumidores estão os EUA, seguidos pela Rússia [21].

Por região o maior consumo se encontra na Europa e Ex-União Soviética com 1,06

trilhões de m³, após a América do Norte com 923,5 bilhões de m³ [22].

Entretanto, com o aumento do consumo do gás natural é necessário o estudo da

disponibilidade do combustível, ou seja, depende de alguns fatores por ser de origem fóssil. As

quantidades disponíveis estão ligadas a quantidades comprovadas, prováveis e possíveis, onde

são:

Comprovado: Quantidade de petróleo e gás natural que tem razoável

certeza, são considerados que no mínimo 90% da estimativa da reserva seja

extraído;

Provável: Quantidade de petróleo e gás natural menos provável que a

comprovada, são considerados que no mínimo 50% da estimativa da reserva

seja extraído; e

Possível: Tem razão de certeza menor que a provável, neste é considerado

que no mínimo 10% da estimativa da reserva seja extraído [20].

No Brasil tem-se reserva de gás natural comprovada de 429,457 bilhões de m³,

sendo considerados provável mais 308,646 bilhões de m³ e possível de 84,054 bilhões de m³.

Gerando um total de 822,157 bilhões de m³ [9].

30

Porém, é necessário o estudo dos tipos de transportes do gás natural no Brasil. Esse

pode ser feito de três maneiras: a) gasodutos; b) sob a forma liquefeita, em navios criogênicos;

c) e sob a forma de compostos líquidos ou sólidos [22].

O transporte por gasodutos é o método mais utilizado, ou seja, é realizado por

intermédio de dutos onde são inseridos sob pressão. Devido as características físicas tem uma

perda de pressão ao longo do trecho, sendo assim necessário uma estação de compressão a uma

distância que no máximo chegue a pressão mínima contratual [23].

Nos dutos as pressões chegam de 100 a 150 kg/cm² após a estação, chegando até o

mínimo de 30 a 40 kg/cm² na entrada da próxima compressão. Entretanto, na distribuição

urbana a pressão é reduzida para 5 a 6 kg/cm² na tubulação principal, já nas unidades

consumidoras chegam de 15 a 30 cm/coluna d’água, devido a questão de segurança [22].

Já no transporte de gás natural liquefeito (GNL), é realizado a temperatura de 162°

C negativos em navios criogênicos, é considerado viável para grandes volumes e distâncias.

Normalmente se utiliza esse transporte quando não se tem outra possibilidade e os navios

utilizados tem a capacidade de 100 mil m³ [22].

Por fim, o transporte sob a forma de compostos líquidos e sólidos, em algumas

vezes é a condição mais econômica. A forma mais utilizada nesse processo é a produção de

metanol, mas no Brasil há restrições, por ser agressivo no contato com as pessoas e caso ser

ingerido pode causar a morte [22].

Definido as disponibilidades e processos de transportes, para comercializar o gás

natural no Brasil é respeitado algumas normas propostas pela Agência Nacional do Petróleo

(ANP), trata-se da resolução ANP N° 16, de 17.06.2008 – DOU 18.06.2008 com base na Lei

n° 9.478, de 6 de agosto de 1997. Nessa resolução é definido alguns critérios como: odorização

do gás natural, especificações, transporte, entre outros [23].

Após caracterizado os processos do gás natural, é definido no próximo subitem as

propriedades do gás natural.

2.3.1 PROPRIEDADES DO GÁS NATURAL

Algumas das características marcantes do gás são que não possuem cheiro, são

incolores e inflamáveis no estado natural. Tem-se pelo processo de odorização a adição de

composto de enxofre para lhe dar um cheiro diferenciado.

31

O gás natural pode ser encontrado em duas situações: a) gás associado, o

combustível predominante na jazida é o petróleo onde o gás será utilizado apenas se possuir

condição de viabilidade, ao contrário é feito a combustão de forma controlada; b) gás não-

associado, da qual o fóssil predominante é o gás e o petróleo é em segundo plano. As maiores

ocorrências e exploração deste combustível é de forma não-associada [8].

Os gases podem ser extraídos de duas formas: a) gás seco, na qual permanece em

fase gasosa em qualquer condição de armazenamento ou superfície, estes também possuem um

PCS de 9256 kcal/kg, PCI de 8800 kcal/kg e densidade de 0,740 kg/m³; b) e gás úmido, onde

são naturalmente gasosos, mas que podem apresentar formação de líquidos em diferentes tipos

de armazenamento e superfície, possuem um PCS de 10454 kcal/kg, PCI de 9930 kcal/kg e

densidade de 0,740 kg/m³ [8; 9].

Para a medição da energia disponibilizada por um gás no sistema de combustão e

também como base para a troca deste, tem-se o Índice de Wobbe (IW), Eq.(10):

𝐼𝑊 = 𝑃𝐶𝑠

√𝑑 (

𝑘𝑐𝑎𝑙

𝑚3 ) (10)

Onde:

PCs = Poder Calorífico Superior [kcal/m³]; e

d = Densidade relativa [adimensional].

Outro fator de estudo das propriedades do gás natural é o ponto de orvalho, ou seja,

um fenômeno que ocorre a criação de água quando o fóssil é resfriado ou comprimido em uma

determinada temperatura, pois ao longo das redes a água pode causar danos nas linhas de

instrumentações, válvulas de controle e filtros. Por fim, outros aspectos são a quantidade de

oxigênio, hidrogênio, teores de carbono e componentes sulfurosos [8].

Algumas dessas propriedades, como o poder calorífico, são de grande relevância

para as questões econômicas de um projeto a gás natural, pois refletem em pontos como

consumo e, consequentemente, nos custos do empreendimento.

2.3.2 ASPECTOS ECONÔMICOS

Apresenta-se nesse tópico os valores referentes ao m³ do gás natural, este é um dos

principais requisitos para uma análise de viabilidade econômica.

32

Atualmente possui três tipos de tarifações do combustível nas industrias: a) TG1,

onde paga-se o mínimo de 90% da demanda contratada; b) TG2, onde paga-se o mínimo de

70% da demanda contratada; c) e o TG3, usado para contratos com demanda fixa e consumo

variável. Na Tab. 7 tem-se o custo do combustível [24].

Tab. 7 – Custos m³ Gás Natural Industrial [24, adaptado]

TG1 TG2 TG3

Faixa de Consumo (M³) Custo (R$/M³) Custo (R$/M³) Custo (R$/M³)

Até 5 2,9109 2,9109 2,5866

6 a 10 2,1072 2,1072 1,7833

11 a 70 2,0421 2,0421 1,7179

71 a 1.000 1,3019 1,3019 0,9778

1.001 a 5.000 1,2563 1,4125 1,0999

5.001 a 10.001 1,2069 1,3671 1,0816

10.001 a 25.000 1,1734 1,3305 1,0628

25.001 a 50.000 1,1500 1,3084 1,0453

50.001 a 100.000 1,1250 1,2865 1,0258

100.001 a 150.000 1,0552 1,2119 0,9640

150.001 a 200.000 1,0468 1,2079 0,9602

200.001 a 1.000.000 1,0396 1,2040 0,9602

A Tab. 7, apresenta os valores do m³ do gás natural e são cobrados da seguinte

forma: É consumido 100 m³, os primeiros 5m³ são da primeira faixa no valor de R$ 2,9109, a

segunda parte é até 10 m³ no valor de R$ 2,1072, na terceira parte é aplicado o valor de R$

2,0421 até 70 m³ e o restante é imposto o valor de R$ 1,3019, o preço total para esse consumo

é de R$ 186,67.

2.3.3 IMPACTO AMBIENTAL

Os gases naturais mesmo tendo vantagens em relação aos combustíveis fósseis

como petróleo e carvão, geram alguns tipos de impactos ambientais positivos e negativos em

relação às demais fontes energéticas. Esses pontos são definidos de acordo com a lei n°

6.938/91, 9.478/97 e na resolução Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA) 001/86

[25].

Positivos:

33

Redução do transporte rodo-ferro-hidroviário;

Não exige tratamento dos gases de combustão;

Baixa presença de contaminantes;

Devido a sua densidade ser menor que a do ar possui uma rápida dispersão;

e

Não emissão de cinzas na combustão sendo, consequentemente, mais limpa

[22];

Negativos:

Emissão de Oxido de Nitrogênio (NOx) e Dióxido de Enxofre (SOx);

Emissão de gases de efeito estufa, principalmente CO2, mas em quantidade

menores quando comparados aos outros fósseis; e

Alteração da vida marinha, caso a exploração seja no mar [25];

2.4 VIABILIDADE DO PROJETO

Nesta etapa tem-se o objetivo de fazer um estudo da viabilidade técnico-econômica

do projeto antes da implantação, ou seja, analisar a melhor forma de se garantir que haja

vantagem econômica no futuro e em quanto tempo isto ocorrerá.

O estudo econômico-financeiro pode ser solucionados por meio de técnicas de

análises da engenharia econômica. Essa utiliza procedimentos especiais, das quais são

utilizadas para a decisão de critérios econômicos, financeiros e do imponderável [26].

Existem alguns métodos para a análise de investimentos, os mais tradicionais são:

o Valor Presente Líquido (VPL), Taxa Interna de Retorno (TIR) e Payback.

2.4.1 VPL

O método do VPL tem como finalidade por meio do valor presente calcular o

impacto dos eventos futuros a uma alternativa de investimento. É determinado a partir da

subtração do valor inicial do projeto e do valor presente dos fluxos de entrada de caixas,

descontados a uma taxa igual ao custo do capital da empresa. De acordo com a Eq. (11) tem-se

o método de cálculo do VPL [26].

34

𝑉𝑃𝐿 = −𝐼 + ∑𝐹𝑐𝑡

(1+𝑘)𝑡𝑛𝑡=1 (11)

Onde:

I = Investimento Inicial [R$];

Fct = Fluxo de Caixa [R$];

T = Período [Anos];

N = Tempo total do projeto [Anos]; e

k = Taxa de juros do capital [%].

Analisando a Eq. (11), tem-se que para encontrar o VPL é necessário trazer para o

presente o fluxo de caixa de “n’’ períodos do projeto, em uma taxa de juros conhecida e

descontar o valor inicial do investimento. O resultado do VPL pode ser negativo ou positivo,

caso seja a primeira opção o projeto é rejeitado, ou se faz necessário um novo estudo. A

viabilidade econômica só se dá quando o valor final é positivo, ou seja, quando o valor de

recuperação for maior que o valor inicial de investimento [26; 27].

2.4.2 TIR

A taxa interna de retorno é considerado um método sofisticado para a análise de

investimento, por empresários e pesquisadores. Tem como finalidade obter a taxa mínima que

iguala o VPL a zero, ou seja, é aquele valor de TIR que satisfaz a Eq. (12):

𝑉𝑃𝐿 = −𝐼 + ∑𝐹𝑐𝑡

(1+𝑇𝐼𝑅)𝑡 = 0𝑛𝑡=1 (12)

Onde:


Fct = Fluxo de Caixa [R$];

T = Período [Anos];

N = Tempo total do projeto [Anos]; e

TIR = Taxa Interna de Retorno [%].

Algumas considerações tem-se a fazer com a TIR em relação a Taxa Mínima de

Atratividade (TMA), na qual as empresas a utilizam como os custos dos financiamentos, índices

econômicos e também o risco do projeto.

35

Se a TIR for maior que a TMA, o projeto deve ser aceito;

Se a TIR for igual a TMA, que a implantação do projeto é indiferente; e

Se a TIR for menor que a TMA, o projeto deve ser rejeitado [26; 27].

2.4.3 PAYBACK

O payback é um método muito utilizado no meio empresarial, devido seu fácil

entendimento e aplicação. Têm-se dois métodos comumente utilizados, o payback simples e o

payback descontado. O primeiro consiste em achar o número de períodos na qual terá o retorno

de investimento, apenas fazendo o somatório dos resultados obtidos pelo fluxo de caixa e

diminuindo-os o valor do capital inicial, é vantajoso pela sua facilidade de cálculo. Já o payback

descontado é calculado através da aplicação de uma TMA como desconto para atualizar o fluxo

de caixa obtido pelo projeto, este método é mais preciso em longo prazos. Na Eq. (13), é

definido o método de cálculo do payback descontado [26]:

−𝐼 + ∑(𝑅𝑗−𝐶𝑗)

(1+𝑖)𝑗𝑡𝑗=1 (13)

Onde:


Rj = Receita proveniente do ano j [R$];

Cj = Custo proveniente do ano j [R$];

i = Taxa de Juros Empregada [%]; e

j = Índice genérico que representa os períodos de j=1 a t [28].

2.5 MÁQUINAS TÉRMICAS

A máquina térmica é definida como um equipamento que transforma a energia de

um combustível em energia mecânica, outra atribuição é a capacidade de converter calor em

trabalho. O trabalho e calor são determinados em um processo cíclico, são formas de transferir

a energia de um corpo para outro [29; 30].

O funcionamento das máquina térmicas tem relação com o incremento da energia

interna dos materiais e o trabalho efetuado, essas duas condições dependem da intensidade de

36

energia na forma de calor que foi deslocado a substância. Na Fig. 7, é definido um processo

cíclico de uma máquina térmica [29].

Fig. 7 – Modelo Cíclico de uma Máquina Térmica [31, adaptado]

As fornalhas são exemplos comuns de máquinas térmicas, são equipamentos

desenvolvidos para garantir a combustão completa dos materiais, fornecendo assim, por meio

da queima dos combustíveis, energia térmica [8; 32]. A Fig. 8, apresenta diferentes tipos de

fornalhas.

Fig. 8 – Tipos de fornalhas para diferentes tipos de combustíveis [8, adaptado]

De acordo com a Fig. 8, o tipo de fornalha a ser utilizada é determinado pelo estado

físico dos combustíveis a serem queimados. Há fornalhas para combustíveis sólidos (grelha,

leito fluidizado, suspensão, queima e etc) e para líquidos e gasosos (por queimadores) [8; 32].

As fornalhas podem ser classificadas em diferentes fatores, quanto ao seu

funcionamento (forma de aquecimento do ar), em relação a automação e ao tipo de queima e

combustão [32].

37

A forma de aquecimento do ar nas fornalhas pode ser de fogo direto ou indireto. No

caso do aquecimento direto os gases são proveniente da própria queima dos combustíveis e são

misturados ao ar ambiente. No indireto, os gases da combustão são inseridos em um trocador

de calor e por meio desse aquecerá o ar de secagem [32].

Podem ser classificadas em relação a automação em três tipos: a) não mecanizadas,

que todo o trabalho é realizado manualmente; b) semimecanizadas, que tem um ou mais

processos mecanizados; c) e mecanizadas, que o processo é realizado totalmente mecanizado

[32].

As fornalhas não mecanizadas e semimecanizadas possuem construção e operação

simples. Dispõem de grelhas fixas e a alimentação é feita manualmente ou por meio de sistemas

mecânicos ou pneumáticos, são utilizadas em pequenas demandas. As fornalhas mecanizadas

são equipamentos de grandes demandas, a alimentação é realizada por meio de sistema

mecânicos ou pneumáticos, as grelhas são móveis e possuem remoção automático das cinzas

[32].

Por fim a última classificação é em relação ao tipo de queima, onde o principal

determinante para a escolha é o tipo de material utilizado. Para fornalhas de biomassa o sistema

de queima mais utilizado é em suspensão, já para fornalhas à gás natural a queima é feito por

meio de queimadores.

2.5.1 FORNALHA À BIOMASSA

Fornalhas são equipamentos projetados com o intuito de garantir a queima completa

do combustível e enfatizando a eficiência, ou seja, ter o máximo rendimento na conversão da

energia química do combustível em energia térmica [33].

Nas fornalhas à biomassa a queima é feita em suporte por meio de grelhas fixas,

porém precisam de alimentação de ar primário e secundário. O primário é insuflado embaixo

das grelhas por intermédio de ventiladores, já o secundário é feito na câmara de combustão com

a ajuda de um ventilador que tem a finalidade de misturar os gases combustíveis e,

consequentemente, ajudar na queima [33].

De acordo com a Eq. (14), é definido a potência térmica da superfície da grelha

(Qa):

𝑄𝑎 = 𝐶.𝑃𝐶𝐼

𝐴𝑔 (

𝑘𝑊

𝑚²) (14)

38

Onde:

C = Consumo do combustível [kg/s];

PCI = Poder calorífico inferior [kcal/kg]; e

Ag = Superfície total da grelha [m²].

Em fornalhas que queimam biomassa, o valor de Qa fica em torno de 0,4 a 2,1

MW/m², dependendo do combustível utilizado e da forma construtiva, com isso, operando com

valores acima que o recomendado irá ocasionar temperaturas altas que, consequentemente,

diminuem a vida útil do equipamento [33].

Também é necessário definir a potência térmica volumétrica da fornalha (Qv) pela

Eq. (15):

𝑄𝑣 = 𝐶.𝑃𝐶𝐼

𝑉𝑓 (

𝑘𝑊

𝑚³) (15)

Onde:

C = Consumo do combustível [kg/s];

PCI = Poder calorífico inferior [kcal/kg]; e

Vf = Volume da fornalha [m³].

Em fornalhas que utilizam biomassa o Qv fica em torno de 0,5 e 0,9 MW/m³. É

indicado manter essa faixa, pois assim haverá a queima total do combustível, caso contrário

tem-se a queima incompleta do material diminuindo a eficiência [33].

Entretanto, para garantir a queima total do combustível é incrementado três passos:

a) massa de ar comburente; b) massa de ar comburente total; c) e excesso de ar.

No primeiro passo é realizado o cálculo da quantidade mínima de ar para a

combustão de 1 kg da fonte energética, de acordo com a Eq. (16) [32]:

𝑚𝑎𝑟 =100

23,2(2,7𝐶 + 𝑆 + 8𝐻 − 𝑂) (16)

Onde:

mar = Massa de ar comburente [adimensional];

C = Carbono [%];

S = Enxofre [%];

39

H = Hidrogênio [%]; e

O = Oxigênio [%].

A realização do segundo passo é definido pela Eq. (17):

𝑚𝑎𝑟 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑚𝑎𝑟 𝑥 𝑚𝑐𝑜𝑚𝑏 (𝑘𝑔/ℎ) (17)

Onde:

Mar total = Massa de ar comburente total; e

Mcomb = Quantidade de combustível necessária [kg/h];

Por fim, para se garantir a queima total é efetuado o cálculo de excesso de ar, pois

esse é normalmente superior ao teórico de acordo com a Eq. (18):

𝑚𝑎𝑟 𝑟𝑒𝑎𝑙 = 𝑚𝑎𝑟 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑥 𝛼 (𝑘𝑔/ℎ) (18)

Onde:

Mar real = Massa de ar comburente total corrigida; e

α = Excesso de ar [%].

Na Eq. (18), o excesso de ar para fontes sólidas ficam em torno de 35% e gasosa de

5 a 10% [32].

2.5.2 FORNALHA À GÁS NATURAL

Nas fornalhas a gás natural é necessário um queimador, no qual esse tem o intuito

de realizar a queima de uma mistura ar/combustível por meio da câmara de combustão. O

combustível em qualquer estado físico só terá uma boa combustão se possuir os requisitos

mínimos necessários e adequados. A parte construtiva do queimador depende de algumas

condições, como: consumo, pressão da rede do combustível, pressão do ar na entrada, entre

outros.

A principal função do queimador é estabelecer que o combustível e o oxidante

tenham uma completa combustão. Para a melhor eficiência depende de fatores como: tempo,

da temperatura e da turbulência [34].

40

Os queimadores a gás podem ser divididos em dois tipos, de acordo com que é feita

a mistura ar/combustível: aspirantes e de queima direta.

Nos queimadores aspirantes, tem que a principal parte do ar da combustão seja

aspirado pelo aumento do gás em um Venturi3, assim haverá a mistura ar/combustível. A única

função do ar primário é a vazão do combustível. Algumas características são próprias desse tipo

de queimador como chama curta e baixa capacidade. Por fim, são indicados apenas quando

precisa-se ter uma distribuição de calor homogênea [34].

Já nos queimadores de queima direta, o gás é injetado diretamente na zona de

combustão por intermédio de bicos injetores com furos de pequeno diâmetro. Esse queimadores

tem como características o baixo nível de ruído, as chamas longas e precisam de ajustes

constantes, pois a vazão de ar é de acordo com a tiragem [34].

No setor cerâmico é feito a utilização desse queimador a gás no setor de preparação

de massa (secador rotativo), onde necessitam dos gases gerados para retirar a umidade da

matéria-prima. Na Fig. 9, é verificado a montagem de um queimador a gás.

Fig. 9 – Tipo de queimador de gás natural [35]

3 Venturi é parte mecânica interna do queimador onde haverá a mistura do ar/combustível.

41

3 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS

Este capítulo apresentará os procedimentos metodológicos aplicados na elaboração

desta pesquisa. A metodologia científica nada mais é que um caminho para se chegar ao final,

é um conjunto de procedimentos adotados para a elaboração de um projeto [33].

O presente estudo, que tem como objetivo analisar a viabilidade técnico-econômica

e o impacto ambiental da implantação de uma fornalha à biomassa em uma indústria cerâmica,

se classifica, pelo ponto de vista de sua natureza, como uma pesquisa aplicada. Projetos deste

tipo possuem a finalidade de fornecer conhecimento para solucionar um problema existente, ou

seja, a redução de custos da empresa cerâmica [34].

Sob o ponto de vista da abordagem do problema, esta pesquisa pode ser classifica

em dois métodos distintos: a) Qualitativa; b) e Quantitativa.

A parte de pesquisa qualitativa reúne as informações descritivas, que não podem

ser apresentadas em números. Nesta abordagem o pesquisador vai coletar os dados necessários

para a elaboração do projeto, apresentará o processo de realização do trabalho e os conceitos e

significados. É caracterizado como um método de análise indutiva, onde irá levantar os dados,

analisar e chegar a uma conclusão geral [34; 35].

Quanto a pesquisa quantitativa, diferente da qualitativa, as informações

apresentadas utilizam de números e estatísticas para serem fundamentadas. Parte da premissa

de que tudo pode ser quantificável. Os dados coletados são traduzidos em números para serem

analisados. Esta abordagem é caracterizada pelo modo de análise dedutiva, pelo método

estatístico [34].

42

4 ANÁLISE E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS

Nesta etapa, você analisará os dados obtidos na pesquisa e mostrará os resultados

obtidos. Para iniciar a escrita, questione: Como os dados coletados serão analisados?

A partir da sua resposta, procure confirmar ou refutar hipótese anunciada,

sintetizando os resultados obtidos.

43

5 CONCLUSÕES

Etapa esta que servirá para você evidenciar as conquistas alcançadas com o estudo

e indicar as limitações e as reconsiderações. Além disso, você poderá apontar a relação entre

fatos verificados e teoria e mostrar a contribuição da pesquisa para o meio acadêmico,

empresarial e/ou para o desenvolvimento da ciência e tecnologia. Além disso, você poderá

sugerir temas complementares a sua pesquisa para estudos futuros.

Responda aqui a sua pergunta-problema de pesquisa (esta que deve estar presente

na introdução)

44

REFERÊNCIAS

[1] Informações técnicas – Processos de fabricação. Associação Brasileira de Cerâmica.

Disponível em: < http://abceram.org.br/processo-de-fabricacao/> Acesso em: 01 agos. 2016.

[2] Secadores Rotativos. Disponível em: <http://www.lippel.com.br/br/queimadores-e-

secadores-de-biomassa/secador-rotativo/secadores-rotativos-para-biomassa.html#.V-

00H_ArK00>. Acesso em: 22 set. 2016.

[3] Bistrot, Vilmar Menegon. Máquinas e equipamentos para cerâmica. Criciúma:

Luana,1996.

[4] Antonio Pedro Novaes de Oliveira, Dachamir Hotza. Tecnologia de fabricação de

revestimentos cerâmicos. Florianópolis: UFSC,2011.

[5] OLIVEIRA, A. P. N. Tecnologia de fabricação de revestimentos cerâmicos. Disponível

em: < http://www.ceramicaindustrial.org.br/pdf/v05n06/v5n6_6.pdf>. Acesso em: 27 agos.

2016.

[6] BERNADES, L. J. L. A granulação de Materiais. Disponível em:

<http://www.ceramicaindustrial.org.br/pdf/v11n03/a03v11n3a325.pdf>. Acesso em: 27 agos.

2016.

[7] Goldemberg, J.; Lucon, O. Energia, Meio Ambiente e Desenvolvimento, 3. ed. São

Paulo: USP, 2012.

[8] Lora, E.E.D.S; Nascimento M.A.R.D. Geração termelétrica – Planejamento, projeto e

operação, v. 1, Rio de Janeiro: Interciência, 2004.

[9] Relatório Final do Balanço Energético Nacional 2016. Disponível em: <

https://ben.epe.gov.br/downloads/S%c3%adntese%20do%20Relat%c3%b3rio%20Final_2016

_Web.pdf> Acesso em: 17 agos. 2016.

[10] Relatório Final Balanço Energético Nacional 2015. Disponível em:

<http://www.epe.gov.br/Documents/Energia%20Renov%C3%A1vel%20-

%20Online%2016maio2016.pdf> Acesso em: 17 agos. 2016.

[11] Relatório IEA Bioenergy Task 40: Sustainable International Bioenergy Trade 2013.

Disponível em: <http://www.bioenergytrade.org/downloads/t40-large-industrial-biomass-

users.pdf >

45

[12] Neto, M.R.B.; Carvalho, P. Geração de energia elétrica – Fundamentos, 1. ed. São

Paulo: Érica, 2012.

[13] Relatório Energia Renovável EPE 2016. Disponível em:

<http://www.epe.gov.br/Documents/Energia%20Renov%C3%A1vel%20-

%20Online%2016maio2016.pdf>

[14] Rosa, Aldo Vieira da. Processo de energias renováveis, 3. ed. Rio de Janeiro:

Elsevier,2015.

[15] Dias, J. M. C. S.; Souza, D. T.; Braga, M. Produção de briquetes e péletes a partir de

resíduos agrícolas, agro industriais e florestais, 1. ed. Brasília: Embrapa, 2012.

[16] Nogueira, M. F. M.; Rendeiro, G. Combustão e gasificação da biomassa sólida:

Soluções energéticas para a Amazônia, 1. ed. Brasília: Ministério de Minas e Energia, 2008.

[17] PAULA, L. E. R. Produção e avaliação de briquetes de resíduos lignocelulósicos.

Tese Mestrado, Universidade Federal de Lavras. Minas Gerais, 2010.

[18] MATTOS, Laura Bedeschi de Rego. A importância do setor de transportes na

emissão de gases do efeito estufa – O caso do município do Rio de Janeiro. Tese

Mestrado, Universidade Federal do Rio de Janeiro. Rio de Janeiro, 2001.

[19] GHG Protocol. Disponível em: <http://www.ghgprotocolbrasil.com.br/o-programa-

brasileiro-ghg-protocol?locale=pt-br>. Acesso em: 01 out. 2016.

[20] Relatório Energia Termelétrica EPE 2016. Disponível em:

<http://www.epe.gov.br/Documents/Energia%20Termel%C3%A9trica%20-

%20Online%2013maio2016.pdf>

[21] Anual Estatístico Brasileiro do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis, 2014.

Disponível em: < www.anp.gov.br/?dw=78135>

[22] ABREU, P. L.; MARTINEZ, J. A. Gás natural – O combustível do novo milênio.

Porto Alegre: Plural Comunicação, 1999.

[23] RESOLUÇÃO ANP nº 16. Disponível em:

<http://www.scgas.com.br/uploads/editores/20100720165420.pdf>. Acesso em: 27 set. 2016.

[24] Custo tarifas gás natural 2016. Disponível em:

<http://www.scgas.com.br/site/industrial/conteudos/tarifai> Acesso em: 27 set. 2016.

46

[25] MIRANDA, D. S.; et al. Impactos ambientais da exploração e produção de petróleo

na bacia de Campos – RJ. Disponível em:

<http://essentiaeditora.iff.edu.br/index.php/BolsistaDeValor/article/viewFile/1806/984>.

Acesso em: 28 set. 2016.

[26] EVANGELISTA, M.L.S. Estudo comparativo de análise de investimento em projetos

entre o método VPL e o de opções reais: o caso cooperativa de crédito – sicredi noroeste.

Tese Doutorado, Universidade Federal de Santa Catarina. Florianópolis, 2006.

[27] SAMANEZ, C.P. Engenharia Econômica, 1. ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall,

2009.

[28] PAYBACK. Disponível em:

<http://www.bertolo.pro.br/AdminFin/AnalInvest/PAY%20BACK.pdf>

[29] MÁQUINAS TÉRMICAS, Disponível em: < http://www.if.ufrgs.br/~leila/maquina.htm>

[30] SONNTAG, Richard Edwin; BORGNAKKE, Claus; VAN WYLEN, Gordon J.

Fundamentos da termodinâmica. 8. ed. São Paulo: Editora Blucher, 2008.

[31] Máquinas Térmicas. Disponível em: <http://www.infoescola.com/fisica/maquina-

termica/>. Acesso em: 29 set. 2016.

[32] MAGALHÃES, Edney Alves. Desenvolvimento e análise de uma fornalha para

aquecimento direto e indireto de ar utilizando biomassa polidispersa. Tese Doutorado,

Universidade Federal de Viçosa. Minas Gerais, 2007.

[33] CORTEZ, Luís Augusto Barbosa; et al. Biomassa para energia. Campinas: UNICAMP,

2008.

[34] DANTAS, Marcello Araújo. Análise do desempenho de um queimador infravermelho

funcionando com gás liquefeito de petróleo e glicerina. Tese Mestrado, Universidade

Federal do Rio Grande do Norte. Rio Grande do Norte, 2010.

[35] Tipo de Queimador a Gás Natural. Disponível em:

<http://www.solucoesindustriais.com.br/empresa/maquinas-e-equipamentos/santec-

engenharia-industrial/produtos/aquecimento-industrial/queimador-a-gas-natural>. Acesso em:

25 set. 2016.

ANÁLISE DA IMPLANTAÇÃO DE UMA FORNALHA À BIOMASSA …

Documents

Transcript of ANÁLISE DA IMPLANTAÇÃO DE UMA FORNALHA À BIOMASSA …