Liv Ro Biomass a Final

Solues Energticas para a Amaznia

Eduardo Jos Fagundes Barreto(Coordenador)

Gonalo RendeiroManoel Nogueira

Banco Interamericanode Desenvolvimento

Ministrio deMinas e Energia

Projeto BRA 99/011

ISBN 978-85-9834105-7

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capa biomassa.pdf 17/12/2008 11:06:00

1Gonalo RendeiroManoel Fernandes Martins Nogueira

Augusto Csar de Mendona BrasilDaniel Onofre de Almeida CruzDanielle Regina da Silva Guerra

Emanuel Negro MacdoJorge de Arajo Ichihara

Combusto e Gasificao de Biomassa Slida Solues Energticas para a Amaznia

1 EdioBraslia

Ministrio de Minas e Energia2008

2Ministro de Minas e EnergiaEdison Lobo

Secretrio ExecutivoMrcio Zimmermann

Secretrio de EnergiaJosias Matos de Arajo

Diretor do Programa Luz para TodosHlio Morito Shinoda

Diretor Nacional do Projeto pnud bra 99/011Programa de Erradicao da Excluso da Energia Eltrica

Jeov Silva Andrade

Coordenador da Regio NorteAurlio Pavo de Farias

Coordenador de UniversalizaoManoel Soares Dutra Neto

Coordenao TcnicaEduardo Jos Fagundes Barreto

Assessoria de Comunicao do Programa Luz para TodosLucia Mitico SeoJose Renato Penna Esteves

Unidade e Gesto de Projetos Projeto pnud bra 99/011Antonio Joo da Silva Coordenador TcnicoEder Jlio FerreiraManoel Antonio do Prado

Novembro, 2008

3Combusto e Gasificao de Biomassa Slida Solues Energticas para a Amaznia

Coordenador Geral:Eduardo Jos Fagundes Barreto

Autores:Gonalo Rendeiro (Coordenador)

Manoel Fernandes Martins Nogueira (Editor)Augusto Csar de Mendona Brasil

Daniel Onofre de Almeida CruzDanielle Regina da Silva Guerra

Emanuel Negro MacdoJorge de Arajo Ichihara

Co-autores:Andr Augusto Azevedo Montenegro Duarte

Antonio Geraldo de Paula OliveiraHendrick Maxil Zrate Rocha

Robson Evilcio de Jesus SantosSergio Aruana Elarrat Canto

Wilson Negro Macdo

4Ideorama Design e Comunicao Ltda.www.ideorama.com.br

Projeto Grfico e DiagramaoSlvio SpannenbergAline Weirich de PaulaCarolina FarionGustavo Aguiar

CapaSlvio Spannenberg

Reviso de TextosBrbara Fernandes

Produo GrficaRafael Milani Medeiros

Dados internacionais de catalogao na publicaoBibliotecria responsvel: Mara Rejane Vicente Teixeira

Combusto e gasificao de biomassa slida / Gonalo Rendeiro [et al.].Braslia : Ministrio de Minas e Energia, 2008.192p. : il. ; 21 30cm. ( Solues energticas para a Amaznia )

isbn 978-85-98341-05-7Inclui bibliografia.

1. Energia Fontes alternativas Brasil.2. Recursos energticos Brasil. 3. Biomassaflorestal. 4. Biomassa vegetal. I. Rendeiro, Gonalo.II. Brasil. Ministrio das Minas e Energia. III. Srie.

cdd ( 22 ed.) 333.79

5Sumrio

Apresentao .................................................................................................. 11

Prefcio .......................................................................................................... 13

1 Caracterizao da Gerao de Energia Eltrica na Amaznia ............................. 191.1 Introduo ......................................................................................................191.2 A Amaznia do Sistema Interligado .................................................................201.3 A Amaznia do Sistema Isolado .......................................................................211.4 Lgica Operacional dos Sistemas Isolados .......................................................24

1.4.1 Simplicidade de Instalao, Operao e Manuteno ..................................... 241.4.2 Conta de Consumo de Combustvel para os sistemas isolados, CCC-Isol ...... 25

1.5 Sub-Rogao da CCC ISOL ............................................................................261.6 Centrais Termoeltricas a Biomassa na Amaznia ............................................27

2 Princpios para Uso de Biomassa como Combustvel ....................................... 292.1 Conceitos Bsicos de Combusto ....................................................................292.2 Combusto de Gases ......................................................................................30

2.2.1 Combusto com ar ............................................................................................ 312.2.2 Reagentes com misturas ricas e pobres Razo de Equivalncia .................. 322.2.3 Fraes Molares e Fraes Mssicas ............................................................... 352.2.4 Calor de Reao e Poder Calorfico ................................................................. 372.2.5 Temperatura adiabtica de chama .................................................................. 42

2.3 Combusto dos Lquidos e Slidos ..................................................................422.3.1 Combusto de Lquidos .................................................................................... 422.3.2 Combusto dos Slidos .................................................................................... 42

2.4 Processo de Gasificao de Slidos .................................................................442.4.1 Etapas do processo de gasificao de slidos ................................................. 442.4.2 Efeito da Razo de Equivalncia no Processo de Gasificao ........................ 462.4.3 Efeito da Temperatura no Processo de gasificao ......................................... 472.4.4 Efeito da Presso no Processo de gasificao ................................................ 482.4.5 Teor de umidade .............................................................................................. 492.4.6 Balanos de Massa/Energia e Eficincia Energtica ....................................... 50

3 Caracterizao Energtica da Biomassa Vegetal ............................................. 523.1 Estrutura da Biomassa ....................................................................................523.2 Propriedades Fsicas da Biomassa ...................................................................54

63.2.1 Teor de umidade ............................................................................................... 543.2.2 Massa especfica .............................................................................................. 553.2.3 Densidade ......................................................................................................... 56

3.3 Anlise imediata ............................................................................................563.3.1 Determinao do Teor de Umidade (nbr 8112 e E871) ...................................... 563.3.2 Determinao do Teor de Volteis (nbr 8112 e E872) ...................................... 563.3.3 Determinao do Teor de Cinzas (nbr 8112 e D1102) ....................................... 573.3.4 Determinao do Teor de Carbono Fixo (nbr 8112) ........................................ 57

3.4 Anlise das Cinzas (astm d1102) .....................................................................573.5 Anlise Elementar: chnos (E775, 777, 778 e 870) ..............................................583.6 Poder Calorfico .............................................................................................60

3.6.1 Poder Calorfico Superior por Bomba Calorimtrica (nbr 8633 e astm E711) . 603.6.2 Poder Calorfico Superior por Anlise Elementar ........................................... 603.6.3 Determinao do Poder Calorfico Inferior (pci) ............................................. 61

3.7 Caracterizao Energtica de Algumas Espcies Amaznicas ...........................63

4 Pr-tratamento da biomassa ....................................................................... 644.1 Secagem ........................................................................................................644.2 Torrefao ....................................................................................................65

4.2.1 Tecnologias de Torrefao ............................................................................... 654.2.2 Aplicaes da Torrefao ................................................................................ 664.2.3 Perspectivas .................................................................................................... 66

4.3 Briquetes.......................................................................................................664.3.1 Vantagens da utilizao de briquetes .............................................................. 674.3.2 Sistema de produo de briquetes .................................................................. 674.3.3 Perspectivas ..................................................................................................... 684.3.4 Comercializao .............................................................................................. 694.3.5 Fornecedores Nacionais ................................................................................... 69

4.4 Pletes .........................................................................................................694.4.1 Sistema de produo de pletes ..................................................................... 704.4.2 Perspectivas .................................................................................................... 704.4.3 Fabricantes Internacionais .............................................................................. 71

4.5 Triturao ......................................................................................................71

5 Processos de Converso Energtica da Biomassa ............................................ 735.1 Diferena entre Combusto e Gasificao ........................................................735.2 Centrais a Combusto Utilizando Turbinas ou Motores a Vapor .......................745.3 Centrais com Gasificao Utilizando Motores do Ciclo Otto ou Diesel ..............755.4 Inconvenientes da Combusto e da Gasificao ..............................................765.5 Critrios para Escolha da Tecnologia ...............................................................77

6 Centrais Trmicas a Vapor: combusto e ciclo Rankine ................................... 796.1 Descrio de Ciclos a Vapor ............................................................................796.2 Balano Energtico ........................................................................................816.3 Consumo Especfico de Biomassa de uma Planta a Vapor .................................83

76.4 Consumo Especfico de Vapor de Turbinas e Motores ......................................846.5 Consumo Especfico de Caldeiras ....................................................................846.6 Seqncia para o Pr-dimensionamento de uma Planta a Vapor ......................85

7 Centrais Trmicas por Gasificao ................................................................. 887.1 Classificao de Gasificadores .........................................................................90

7.1.1 Gasificadores de Leito fixo ................................................................................ 907.2 Sistema de Alimentao .................................................................................947.3 Secagem da Biomassa .....................................................................................957.4 Sistema de Limpeza .......................................................................................95

7.4.1 Arranjo dos Sistemas de Limpeza .................................................................... 967.4.2 Exemplos de Sistemas de Limpeza .................................................................. 997.4.3 Sistema de Alimentao do Gs no Motor ..................................................... 100

7.5 Motores Ciclo Otto .........................................................................................1007.5.1 Motores Ciclo Diesel ......................................................................................... 101

7.6 Dimensionamento do Reator de Extrao por Baixo, Topo Fechado ..................1017.6.1 Exemplo de clculo ........................................................................................... 104

8 Procedimentos para Dimensionamento de uma Planta de Potncia .................. 1068.1 Localizao e Quantificao da Biomassa ........................................................1068.2 Dimensionamento da Carga a ser atendida pela Planta ....................................109

8.2.1 Caractersticas da localidade ........................................................................... 1098.2.2 Procedimento de Clculo de Carga ................................................................. 1108.2.3 Levantamento da Carga Eltrica ...................................................................... 1138.2.4 Demanda Reprimida ........................................................................................ 1148.2.5 Curva de Carga ................................................................................................. 1158.2.6 Determinao da Capacidade da Planta ......................................................... 117

8.3 Critrios para Localizao das Centrais Trmicas .............................................1178.4 Exemplo do Pr-dimensionamento de uma central a vapor .............................120

8.4.1 Guia de Dimensionamento da Planta de Gerao de Energia Eltrica ........... 120

9 Impactos Ambientais e Formas de Mitigao ................................................. 1229.1 Legislao ......................................................................................................1229.2 Definies Conceituais ...................................................................................1239.3 Mtodos e Modelos para Avaliao dos Impactos Ambientais ..........................1249.4 Avaliao dos Impactos de uma Usina Termoeltrica a Biomassa .....................129

9.4.1 Impactos no Ambiente Natural Durante a Construo da Usina a Biomassa 1299.4.3 Impactos no Ambiente Natural Durante a Operao da Usina a Biomassa .. 1309.4.2 Impactos no Ambiente Social Durante a Construo da Usina a Biomassa .. 1309.4.4 Impactos no Ambiente Social Durante a Operao da Usina a Biomassa .... 131

9.5 Esquema dos Principais Impactos de uma Usina Termeltrica a Biomassa .........1319.6 Impacto no Ciclo de Carbono Emisses Evitadas ...........................................1329.7 Sntese dos impactos positivos especficos da operao de uma usina

termeltrica a biomassa na Amaznia .............................................................1339.7.1 Reaproveitamento energtico de resduos ...................................................... 133

89.7.2 Energia revertida ao processo produtivo ........................................................ 1339.7.3 Criao de emprego e renda ............................................................................ 1339.7.4 Diminuio da dependncia aos combustveis fsseis ................................... 133

10 Viabilidade Econmica ............................................................................ 13410.1 Engenharia Econmica ..................................................................................13510.2 Os Mtodos .................................................................................................137

10.2.1 Mtodos Determinsticos .............................................................................. 13810.2.2 Mtodos no Determinsticos ....................................................................... 13910.2.3 Outros Mtodos ............................................................................................ 142

10.3 Procedimentos Bsicos de Anlise Econmica ................................................14310.3.1 Custos (sadas ou investimentos) .................................................................... 14310.3.2 Benefcios (entradas ou receitas) ................................................................... 144

10.4 Anlise .......................................................................................................14510.4.1 Horizonte do Projeto ..................................................................................... 14510.4.2 Taxa de Desconto ........................................................................................... 14610.4.3 Cenarizao .................................................................................................... 15110.4.4 Escolha do(s) Mtodo(s) e Processamento da Anlise ................................. 15210.4.5 Concluso sobre a viabilidade econmica do projeto ................................... 153

10.5 Exemplos .....................................................................................................15310.5.1 Hipottico (simplificado) ................................................................................ 15310.5.2 Para uma Planta a Vapor (Real) ..................................................................... 157

10.6 Crditos de Carbono Elegibilidade de MDLs ...............................................16010.7 Introduo Anlise Financeira ....................................................................161

11 Resultados Concretos ................................................................................ 16411.1 Centrais Trmicas a Vapor ..............................................................................164

11.1.1 Concepo do Projeto ...................................................................................... 16511.1.2 Implantao do Projeto ................................................................................... 16711.1.3 Operao ......................................................................................................... 16911.1.4 Modelo de Gesto ........................................................................................... 16911.1.5 Sustentabilidade do Projeto ............................................................................. 170

11.2 Centrais Trmicas a Gasificao .....................................................................17111.2.1 Localizao do Projeto .................................................................................... 17111.2.2 Concepo do Projeto ..................................................................................... 17211.2.3 Sustentabilidade .............................................................................................. 17411.2.4 Resultados ...................................................................................................... 175

12 Computacional ........................................................................................ 17812.1 Software cicloRank v1.0 ................................................................................178

12.1.1 Dados................................................................................................................ 17812.1.2 Como Funciona ................................................................................................ 179

12.2 Software COMGAS v1.2 ................................................................................17912.2.1 Introduo de dados ....................................................................................... 18012.2.3 Limitaes e Recomendaes ......................................................................... 182

912.2.2 Resultados ...................................................................................................... 182

Referncias Bibliogrficas ................................................................................. 1831 Caracterizao da Gerao de Energia Eltrica na Amaznia ............................... 1832 Princpios para Uso de Biomassa como Combustvel............................................ 1833 Caracterizao Energtica da Biomassa Vegetal .................................................. 1844 Pr-tratamento da biomassa ................................................................................. 1845 Processos de Converso Energtica da Biomassa ................................................. 1846 Centrais Trmicas a Vapor: combusto e ciclo Rankine ........................................ 1857 Centrais Trmicas por Gasificao ......................................................................... 1868 Procedimentos para Dimensionamento de uma Planta de Potncia ................... 1869 Impactos Ambientais e Formas de Mitigao ....................................................... 18810 Viabilidade Econmica ......................................................................................... 18812 Computacional ...................................................................................................... 190

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Apresentao

O Programa Luz para Todos, maior programa de eletrificao rural j feito no Brasil, j realizou, desde a sua criao em novembro de 2003, at outubro de 2008, mais de um milho e oitocentas mil ligaes domiciliares em todo o Pas, correspondendo a mais de nove milhes de beneficiados na zona rural brasileira. Essas ligaes foram realizadas essencialmente por extenso de rede convencional.

Na Regio Amaznica, as longas distncias, os obstculos naturais, as dificuldades de acesso e a baixa densidade populacional dificultam o atendimento de grande parte da populao pelo sistema convencional de distribuio. Por outro lado, o atendimento alternativo, com sistemas trmicos a diesel, muito utilizados na Regio, apresenta custos elevados associados operao e manuteno e logstica de distribuio do combustvel.

Para vencer as dificuldades de eletrificar as comunidades rurais isoladas da Amaznia, o Ministrio de Minas e Energia mme promoveu, no mbito do Programa Luz para Todos, com o apoio de recursos financeiros no reembolsveis do Fundo Multilateral de Investimentos do Banco Interamericano de Desenvolvimento fumin/bid, uma srie de atividades destinadas ao desenvolvimento e implantao de projetos de gerao de energia eltrica de pequeno porte e a capacitao de profissionais, principalmente das concessionrias da Regio, para a implantao de solues energticas alternativas a partir de fontes renovveis de energia.

Entre essas atividades se destaca a produo da presente coleo, denominada Solues Energticas para a Amaznia, constituda de 5 volumes, que abordam as seguintes tecnologias de gerao de energia renovvel: i) Pequenos Aproveitamentos Hidroeltricos; ii) Sistemas Hbridos; iii) Biodiesel e leo Vegetal in Natura; iv) Combusto e Gasificao de Biomassa Slida; v) uma verso resumida de todas as tecnologias descritas anteriormente, intitulada Tecnologias de Energias Renovveis.

O uso dessas tecnologias a partir de recursos locais disponveis na Amaznia, principalmente a biomassa e os pequenos aproveitamentos hidroeltricos, tem sido pouco considerado por um conjunto de questes relacionadas cultura das concessionrias, sedimentada na extenso de rede eltrica, ou falta de informao quanto viabilidade tcnica e econmica das tecnologias relacionadas a esses potenciais. As iniciativas para viabilizar o uso dessas alternativas, no hori-zonte de mdio e longo prazos, requerem aes imediatas.

Entretanto, solues energticas alternativas para a Amaznia devem ser buscadas, no para substituir o atendimento convencional, mas principalmente como complemento, pelo menos at o tempo em que a maturidade tecnolgica se revele para as concessionrias da Regio. Alm da energia, essa gerao apresenta grandes perspectivas para a renda local, com o aproveitamento de recursos da regio, a fim de diversificar a matriz energtica e tambm reduzir os custos de transporte de combustveis.

Solues energticas estruturadas a partir da disponibilidade local de energia primria podem

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ser uma alternativa vivel e sustentvel para eletrificar essas reas. Para isso, este Ministrio tem trabalhado em diversas frentes, desde a realizao de projetos-piloto com tecnologias reno-vveis para o atendimento de comunidades da Regio Amaznica, at a realizao de cursos de capacitao em tecnologias renovveis, apropriadas para a Regio, para as concessionrias e outros interessados.

Assim, essa iniciativa do mme, de difundir o conhecimento sobre tecnologias de gerao de energia alternativas para atendimento de comunidades isoladas, busca construir o alargamento de opes para o futuro, prestigiando o conhecimento das opes locais. outro enfoque, com-plementar s solues concretas posta em marcha pelo Programa luz para todos LpT.

Ministrio de Minas e Energia

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Prefcio

A Amaznia um desafio desde que foi descoberta pela civilizao europia. Primeiramente sob o domnio da coroa espanhola, assenhoreada de quase toda Hylea pelo Tratado de Tordesi-lhas, foi conquistada, ao longo dos sculos xvi a xviii, em mais uma das memorveis epopias portuguesas. Fato registrado, sob protesto, pelo padre jesuta Samuel Fritz, alemo, missionrio da Igreja espanhola na Amrica, que em sua saga pelo Amazonas, desde a provncia de Quito a Belm do Par, buscou proteger as misses espanholas que se estendiam at as barras do Rio Negro. Reclamou os direitos da igreja e coroa espanhola junto ao governador do Maranho e Gro-Par, contra os excessos dos portugueses, que como verdaderos piratas de los rios que pertencian ao domnio de Castilha, llevabn cautivos y hacian esclavos cuantos ndios encon-traban... 1. Em sua viagem cartografou o grande rio e seus tributrios, mapa de grande valor, primeiramente reproduzido pelos ingleses 2.

Paul Marcoy 3, viajante francs, em famoso priplo pelo Amazonas em meados do sculo XIX, ao dar com a aparncia triste e desolada das cidades ribeirinhas abandonadas, e com o impacto do colonizador sobre o nativo e a natureza, opina que as conquistas portuguesas e espanholas lanaram nos pases subjugados e nos seus povoados os germes da destruio e no as semen-tes da vida. Mais, nas suas palavras: que a regenerao desse belo pas tarefa acima das suas foras e que um futuro vir na forma de uma migrao europia, abundante de gnio e vigor natural.

Esqueceu-se Marcoy que Espanha e Portugal so parte do gnio e vigor natural do Velho Continente?

Euclides da Cunha viajou pelo Purus e outros rios importantes da plancie Amaznia; legou-nos brilhantes relatos 4 do que viu e do que sentiu. Contradizendo Marcoy, desfia vigorosa e potica narrativa sobre a migrao nordestina para os confins do Acre, designando-a como uma seleo natural invertida, na qual todos os fracos, todos os inteis, todos os doentes e todos os sacrifi-cados, eram expedidos a esmo, como o rebotalho das gentes, impelidos pelas grandes secas de 18791880, 18891890, 19001901, para ocupar a vastssima, despovoada, quase ignota Amaznia, o que equivalia a expatri-los dentro da prpria ptria. A interveno governamental se resumia tarefa expurgatria para livrar os grandes centros urbanos. Segundo ele, os banidos levavam a

1 O dirio do Padre Samuel Fritz, organizado por Renan Freitas Pinto. Editora da Universidade do Amazonas. Manaus, 2006

2 A frota espanhola que, entre outras coisas, levava o mapa para a Espanha, foi atacada e aprisionada por navios ingleses em 1708. Rodolfo Garcia. Introduo. O dirio do Padre Samuel Fritz, organizado por Renan Freitas Pinto. Editora da Universidade do Amazonas. Manaus, 2006

3 Viagem pelo Rio Amazonas. Editora da Universidade Federal do Amazonas. Manaus, 2006.

4 Um Clima Caluniado, in Amaznia Um Paraso Perdido. Editora Valer Universidade Federal do Amazonas. Manaus, 2003.

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misso dolorosssima e nica de desaparecerem. E no desapareceram. Ao contrrio, em menos de trinta anos, o Estado que era uma vaga expresso geogrfica, um deserto empantanado, a estirar-se, sem lindes, para sudoeste, definiu-se de chofre, avantajando-se aos primeiros pontos do nosso desenvolvimento econmico.

Fazendo coro a Euclides da Cunha podemos ento dizer que conquistamos a Amaznia, e da forma mais surpreendentemente possvel, talvez sem precedentes na histria da humanidade. Demos seguimento saga portuguesa.

Desses tempos para c muitas coisas aconteceram e muitos conhecimentos foram aos poucos revelados: a importncia da floresta para o equilbrio climtico do planeta hoje incontestvel; a riqueza dos produtos da floresta abre um sem-nmero de oportunidades; inegvel o valor ecolgico e econmico da Hylea, que desperta cobias globais.

A plancie amaznica toda a bacia do Solimes com seus mais importantes afluentes Purus, Javari, Juru, e parte do Amazonas com seus tributrios permanece ainda pouco tocada, com exceo das grandes cidades, principalmente Manaus. A expanso do capitalismo para a fronteira amaznica transfigurou a regio, hoje conhecida como o Arco do Desmatamento. Revelam-se, portanto, duas Amaznias: de um lado, a urbana, igual a qualquer grande centro do Sul-Sudeste, e a rural do capital, produtora de excedentes; de outro lado, a rural, tradicional, de subsistncia, oriunda daquela ocupao relatada por Euclides da Cunha, ainda detentora de conhecimentos herdados dos nativos, isolada da civilizao e ainda teimosamente sobrevivente. sobre esses ltimos que devemos voltar nossos esforos. A Amaznia que nos espera, portanto, talvez mais complexa. Nossa misso preserv-la, explorando-a com toda a inteligncia legada pela civilizao. A primeira tarefa oferecer dignidade queles que a dominaram: minimizar seus sofrimentos e assegurar uma vida com o melhor da civilizao: educao e sade pblicas de boa qualidade. A eletrificao dessas comunidades rurais isoladas fundamental para trazer suas populaes para a contemporaneidade do mundo, e esse o papel desempenhado pelo Programa Luz para Todos.

Nesse ponto devemos admitir que toda nossa rica cultura de prestao de servios de energia, baseada na extenso da rede convencional do sistema interligado e todas as regras impostas pela legislao para garantir a qualidade do servio e o equilbrio econmico financeiro da concesso, podem no servir para a Amaznia isolada.

De igual modo, o atendimento convencional realizado com sistemas trmicos a diesel no conveniente, seja pela sinalizao dada de contradizer, em plena Amaznia, a conscincia universal de restrio ao uso de combustveis fsseis, seja pela cristalizao de interesses, cada vez mais difceis de serem demovidos. Sem mencionar os custos econmicos e os problemas logsticos dessa alternativa.

A imensido do territrio e a sua descontinuidade imposta pelos rios, igaps, igaraps, florestas e outros acidentes geogrficos e o tempo, que se conta em dias, no em horas, exigir a quebra de paradigmas no setor eltrico: a descentralizao do servio. A grandeza do territrio dever ser enfrentada de forma fragmentada, aproveitando as disponibilidades locais e diversificada de energticos. A resposta mais adequada poder ser o uso de tecnologias renovveis adaptveis s condies locais: pequenos aproveitamentos hidroeltricos, energia solar, resduos de biomassa slida para caldeiras e turbinas a vapor, produo de leo vegetal in natura, biodiesel e etanol para uso motores de combusto interna.

Todavia, a resposta tecnolgica atende apenas a um lado do problema. O outro, bem mais

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complexo, se refere ao uso da energia e gesto de cada unidade de gerao descentralizada. Novamente nos deparamos com a necessidade de um modelo que aparentemente contradita com o regime de concesso dos servios pblicos. Esta necessita de escala, simplicidade e uniformidade das suas operaes, que so fundamentais para manter suas tarifas em um nvel suportvel pelos seus usurios.

Talvez a resposta para esse desafio possa ser encontrada num programa complementar de estmulo cooperao nessas comunidades. Difcil, mas no impossvel. O uso produtivo da energia poder estar associado formas de gesto que possa vir a facilitar o servio da concessionria nessas reas remotas. Apoiar vigorosamente o beneficiamento de espcies da Regio que pode assentar firmemente o homem, principalmente os mais jovens, nas reas rurais, ajudando a conter a migrao para os grandes centros, talvez at mesmo inverter o processo migratrio.

Contudo, todas essas conjecturas podem de nada valer se legtimos representantes dos amaznidas no participarem ativamente das solues. Por certo, pesquisadores com muitos anos de servio em campo, labutando com comunidades isoladas e com larga experincia em tecnologias alternativas, sero fundamentais para apontar as melhores solues.

Por isso que o Ministrio de Minas e Energia buscou a cooperao desses profissionais, com suas expertises, desde o Edital do CT-Energ, 2003, que objetivava identificar respostas tecno-lgicas aos desafios colocados. Posteriormente, parte dos projetos aprovados nesse Edital foi apoiada pelo Fundo Multilateral de Investimentos fumin, da Cooperao Tcnica atn/mt 6697-br, realizada entre o mme e o bid, para identificar modelos de gesto adequados e sus-tentveis para os projetos.

Posteriormente, nasceu tambm no mme, em 2006, o Projeto Solues Energticas para a Amaznia, concebido no transcorrer da implantao dos projetos-pilotos aprovados no Edital do CT-Energ, 2003. A idia consistia basicamente em usar recursos do Japan Special Fund jsf da Cooperao Tcnica atn/jf-6630-br, realizada entre o mme e o Banco Interamericano de Desenvolvimento bid, para capacitar profissionais do setor eltrico, de universidades e de outras instituies relacionadas, para a elaborao e execuo de projetos descentralizados com energias renovveis para atendimento de comunidades isoladas da Amaznia.

As tecnologias escolhidas foram aquelas que ofereciam condies para o atendimento desse objetivo, preferencialmente que devessem apresentar os seguintes atributos: simplicidade, confiabilidade, robustez e baixo custo de manuteno e produo em escala. As tecnologias foram: i) sistemas hbridos, com a combinao de energia elica, solar fotovoltaica e grupo-gerador diesel; ii) pequenos aproveitamentos hidroeltricos com turbinas de baixa queda; iii) queima de resduos de biomassa em caldeira/turbina a vapor e iv) produo e de biodiesel e de leo vegetal in natura para uso em motores de combusto interna. Posteriormente, achamos por bem incluir gasificao de biomassa slida, que se ainda no madura para gerao de eletricidade, apresenta potencial para outros aproveitamentos, inclusive para produo de frio.

O Projeto Solues Energticas para a Amaznia foi executado, por meio de Cartas de Acordo com o mme, por professores/pesquisadores da Universidade Federal da Par ufpa; da Uni-versidade Federal de Itajub-Unifei; da Universidade Federal do Amazonas ufam, esta ltima tendo contado com a fundamental colaborao do Instituto Militar de Engenharia ime. A escolha dessas instituies se deveu experincia dos seus pesquisadores na implantao de projetos com energias renovveis no interior da Amaznia, inclusive no mbito do Edital CT-Energ, 2003.

Os resultados desse projeto so conhecidos: realizao de dois cursos de capacitao para

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cerca de 400 profissionais, um bsico (40h), realizado simultaneamente nas noves capitais da Amaznia Legal, e um avanado (160h), realizado nas universidades acima citadas. Esses treina-mentos foram realizados entre novembro de 2007 e maio de 2008, ambos apoiados por manuais de elaborao de projetos nas tecnologias acima citadas, tambm preparados no mbito dessa cooperao tcnica.

O ltimo produto dessa bem sucedida cooperao tcnica a presente coleo de livros Solues Energticas para a Amaznia, sendo que quatro deles representando um conjunto de tecnologias e um volume com a sntese das tecnologias apresentadas: i) Sistemas Hbridos; ii) Pequenos Aproveitamentos Hidroeltricos; iii) Combusto e Gasificao de Biomassa Slida; iv) Biodiesel e leo Vegetal in Natura; e v) Tecnologias de Energias Renovveis. Espera-se que esses livros se constituam como referncia para o setor eltrico, principalmente quando se for dada a necessria ateno ao atendimento de comunidades isoladas.

Para finalizar, gostaria de agradecer a todos aqueles que colaboraram ativamente com a exe-cuo desse projeto, primeiramente, os professores/pesquisadores que meteram a mo na massa, verdadeiros artfices: Joo Tavares Pinho, que coordenou o tema sistemas hbridos e Gonalo Rendeiro e Manoel Nogueira que coordenaram combusto e gasificao de biomassa, e suas respectivas equipes, todos da ufpa; Geraldo Lcio Tiago, da Unifei, que embora no sendo da Amaznia, juntamente com sua equipe desenvolveu alguns projetos bem sucedidos de pequenos aproveitamentos hidroeltricos na regio e Antonio Cesar Pinho Brasil Jr. e Rudi Van Els, da UnB, que tambm contriburam nessa rea com seus conhecimentos em turbinas hidrocinticas; Jos de Castro Correia, da ufam, que com o providencial apoio da prof Wilma de Arajo Gonzalez e equipe, do ime, coordenaram o tema produo de biodiesel e de leo vegetal in natura para uso em motores de combusto interna.

Ao professor Roberto Zilles, da usp, responsvel por um dos mais bem sucedidos projetos do CT-Energ,2003, que aceitou fazer a reviso tcnica do livro Sistemas Hbridos, trabalho que executou com entusiasmo desinteressado. E ao professor Gutemberg Pereira Dias, pela dispo-sio em discutir todos os assuntos referentes s tecnologias em pauta, em especial o uso de biocombustveis em motores de combusto interna; ele tambm procedeu a uma reviso tcnica das publicaes que trataram desse tema.

No mme esse projeto contou com o firme apoio de Antonio Joo da Silva, que, arrisco dizer, sem ele no teria sido possvel. Esteve presente desde a concepo e acompanhou todo o processo de execuo, sempre buscando apresentar as solues quando o projeto encontrava dificuldades no seu cumprimento. Mobilizou toda a sua equipe para viabilizar o projeto: Eder Julio Ferreira e Manoel Antonio do Prado, sempre trabalhando com muita diligncia, e a Manuela Ordine Lopes Homem Del Rey, Alessandro Ferreira Caldeira e Samuel da Silva Lemos, pela presteza e competncia no apoio.

Devemos agradecimentos ainda a Armando Cardoso, Assiz Ramos e Roberto Flaviano Amaral, sempre muito solcitos para o atendimento de demandas do projeto, e a Marcelo Zonta, que na execuo de uma das suas partes mais difceis, a capacitao simultnea de 370 profissionais nas nove capitais da Amaznia, gentilmente cedeu parte da sua equipe, que acabou por contribuir de forma decisiva para o sucesso do evento: Carla Segui Scheer, que ajudou com muita eficincia a coordenao dos trabalhos, Aron Costa Falek, Elane da Cunha Muiz Caruso e Luis Henrique dos Santos Bello.

Ainda um agradecimento muito especial a Lucia Mitico Seo e Jos Renato Esteves Jnior,

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sempre dispostos a discutir assuntos do projeto, principalmente quando se tratava das propostas de arte das publicaes.

Por fim, sinceros agradecimentos a Dr. Helio Morito Shinoda, Diretor do Programa Luz para Todos, e demais integrantes da equipe.

No bid, os agradecimentos vo para Dr. Ismael Glio, especialista setorial, que acreditou no projeto, apesar de todas as dificuldades por que passamos, e tambm sua fiel escudeira, Marlia Santos.

As opinies constantes neste prefcio, bem como aquelas expressas nos livros desta coleo, so de exclusiva responsabilidade dos seus autores.

Eduardo Jos Fagundes BarretoCoordenador

19Caracterizao da Gerao de Energia Eltrica na Amaznia

1 Caracterizao da Gerao de Energia Eltrica na Amaznia

1.1 Introduo

O sistema de produo e transmisso de energia eltrica do Brasil um sistema de dimenses continentais que liga as regies Sul, Sudeste, Centro-Oeste, Nordeste e parte da regio Norte.

O sistema hidrotrmico de grande porte com a caracterstica de possuir forte predominncia de usinas hidreltricas com mltiplos proprietrios estatais e privados. O sistema eltrico brasileiro formado por empresas das regies Sul, Sudeste, Centro-Oeste, Nordeste e Norte. A conexo de empresas entre as vrias regies formam um sistema de coordenao e controle, que congrega o sistema de produo e transmisso de energia eltrica do Brasil, conhecido por Sistema Interligado Nacional sin. Apenas 3,4% da capacidade de produo de eletricidade do pas encontram-se fora do sin, em pequenos sistemas isolados.

O sistema eltrico brasileiro dividido em dois grandes subsistemas, alm de diversos sistemas isolados.

Subsistema Sul/ Sudeste/ Centro-Oeste (S/ SE/ CO). Subsistema Norte/ Nordeste (N/ NE). Sistemas isolados do Norte.

Figura 1.1 Configurao do SIN. Fonte: RESIN 05/200

Danielle R.S. Guerra e Manoel Fernandes Martins Nogueira

20 Combusto e Gasificao de Biomassa Slida

A figura 1.1 ilustra a representao dos limites de intercmbio de energia do sin. Esta configurao apresenta os subsistemas Norte, Nordeste, Sudeste-Centro-Oeste e Sul, alm do n fictcio de Imperatriz (MA).

1.2 A Amaznia do Sistema Interligado

A Amaznia Legal uma rea que engloba nove Estados brasileiros pertencentes Bacia Amaznica e, conseqentemente, possuem em seu territrio trechos da Floresta Amaznica. Com base em anlises estruturais e conjunturais, o governo brasileiro, reunindo regies de idnticos problemas econmicos, polticos e sociais, com o intuito de melhor planejar o desenvolvimento social e econmico da regio amaznica, instituiu o conceito de Amaznia Legal.

A atual rea de abrangncia da Amaznia Legal, figura 1.2 , corresponde totalidade dos Estados do Acre, Amap, Amazonas, Mato Grosso, Par, Rondnia, Roraima, Tocantins e parte do Estado do Maranho (a oeste do meridiano de 44 WGr.), e perfazendo uma superfcie de aproximadamente 5.217.423 km2 correspondente a cerca de 61% do territrio brasileiro.

A Eletronorte, sociedade annima de economia mista e subsidiria da Eletrobrs, uma concessionria de servio pblico de energia eltrica, que gera e fornece energia eltrica aos nove estados da Amaznia Legal. Por meio do sin, tambm fornece energia a compradores das demais regies do Pas.

Dos cerca de 24 milhes de habitantes que vivem na Regio Amaznica, mais de 15 milhes se beneficiam da energia eltrica gerada pela Eletronorte em suas cinco hidreltricas: Tucuru (PA), a maior usina genuinamente brasileira e a quarta do mundo, Coaracy Nunes (AP), Balbina (AM), Samuel (RO) e Curu-Una (PA), e em parques termeltricos. A potncia total instalada de 9.787 megawatts. A Empresa conta, ainda, com duas subsidirias integrais: a Boa Vista Energia S.A. e a Manaus Energia S.A.

O Sistema Interligado Brasileiro possui ramificaes que fornecem energia eltrica a algumas regies e/ou Estados, constituindo alguns Subsistemas Eltricos Regionais. Estes subsistemas so divididos em dois grupos:

Subsistema Interligado Mato Grosso. Subsistema Interligado Norte.

Figura 1.2 Estados que constituem a Amaznia Legal


Em relao ao Subsistema Interligado Norte, este atende os Estados do Par, Maranho e Tocantins, suprido majoritariamente com a energia gerada pela uhe de Tucur. O excedente de energia transferido para os Subsistemas Nordeste (Chesf) e Sudeste/ Centro Oeste (Furnas) e nos perodos de seca do rio Tocantins, h eventuais fluxos de energia das Regies Sudeste e Nordeste para a Regio Norte figura 1.3.

No Estado do Par este sistema atende a capital Belm, as regies do Baixo Tocantins e as regies nordeste, sudeste, oeste e leste do Estado, via Celpa. A energia consumida pelo Par gerada pelas usinas hidreltricas Tucuru e Curu-Una, responsveis pelo atendimento a mais de 99% do mercado paraense. Tucuru tem capacidade instalada de 8.370 MW.

No Estado do Maranho, o Subsistema Interligado Norte atende quase a totalidade do Estado, possui apenas um sistema isolado. O Estado do Tocantins atualmente totalmente atendido pelo sin atravs do Subsistema Norte e pelo Subsistema Sudeste/ Centro-Oeste.

1.3 A Amaznia do Sistema Isolado

Os Sistemas Isolados da Regio Norte atendem uma rea de 45% do territrio e a cerca de 3% da populao nacional, ou seja, aproximadamente 1,3 milhes de consumidores.

Os Sistemas Isolados esto localizados nas capitais da Regio Norte, exceto Belm, e no interior dos Estados dessa regio. Estes ltimos caracterizam-se basicamente pelo grande nmero de pequenas unidades geradoras a leo diesel e pela grande dificuldade de logstica de abastecimento. Segundo dados do gton, no incio de 2008, existiam em operao na regio amaznica 277 sistemas isolados autorizados pela aneel, totalizando 1267 unidades geradoras e 3.068 MW de potncia nominal instalada. Tabela 1.1, Tabela 1.2 e Tabela 1.3.

Figura 1.3 Integrao das Bacias no Sistema Interligado.


Tabela 1.1 Sistemas Isolados da Amaznia (GTON Plano de Operao 2008)

Tabela 1.2 Previso de Gerao Trmica Verificada em 2007 Plano 2008 (Fonte: Plano de Operao 2008- Sistemas Isolados GTON)

Tabela 1.3 Nmero de Unidades Geradoras e Potncia Instalada em 2008 Parque Gerador Hidrulico.

Estado Potncia Nominal (MW)Concessionria N de Unidades (2008)

ELETRONORTE

ELETROACRE

ELETRONORTE

CEA

MANAUS ENERGIA

CEAM

CELPA

JARI CELULOSE

ELETRONORTE

CERON

BOA VISTA ENERGIA

CER

CEMAR

CEMAT

ACRE

AMAP

AMAZONAS

PAR

RONDNIA

RORAIMA

94,4

44,2

178,1

17,6

1.332,1

358,8

101,5

70,6

614,1

106,0

62,0

22,6

0,9

65,1

3068,0

24

78

39

13

103

435

151

13

12

161

03

75

03

157

1267

MARANHO

MATO GROSSO

Total Parque Trmico

Gerao Trmica (MW mdio)

Gerao Trmica por Tipo de Combustvel

Total de Gerao Trmica a Biomassa

Total de Gerao Trmica a Vapor

Total

Total de Gerao Trmica a Combustvel (leos: Diesel,

PTE, combustvel, PGE)

Plano 2008Verificado em 2007

936,2

65,4

4,3

1.005,9

1.107,0

70,9

5,5

1.183,4

Estado Potncia Nominal (MW)Concessionria N de Unidades (2008)

UHE PCH UHE PCH

MANAUS ENERGIA

ELETRONORTE

CERON

CER

ELETRONORTE

CELPA

ELETRONORTE

CEMAT

AMAZONAS

RONDNIA

RORAIMA

AMAP

PAR

MATO GROSSO

05

05

-

-

03

-

28

-

41

-

-

29

02

-

06

03

40

250,0

216,0

-

-

78,0

-

8.400,3

-

8944,3

-

-

96,0

5,0

-

40,0

2,7

143,7Total Parque Hidrulico

Os sistemas isolados mais importantes, do ponto de vista da dimenso do consumo, so os que atendem s capitais Manaus, Porto Velho, Macap, Rio Branco e Boa Vista. Nos sistemas de


Manaus, Porto Velho e Macap, a gerao de eletricidade provm de sistemas hidrotrmicos. Em Rio Branco, o atendimento era puramente trmico, situao que foi alterada ao final de 2002, com a interligao, em 230 kV, ao sistema de Porto Velho. O sistema que atende Boa Vista e parte do interior do Estado de Roraima passou a ser suprido, a partir de julho de 2001, com importao de energia da Venezuela, por meio de uma interligao, em 230 kV, com o sistema da hidreltrica de Guri, naquele pas vizinho.

A grande maioria dos sistemas do interior destes Estados suprida por unidades diesel eltricas de pequeno porte. Contudo, existe, tambm, um parque hidreltrico composto usinas e grande e mdio porte, 41 turbinas totalizando 8.944 MW e por pequenas centrais hidreltricas (pchs), totalizando cerca de 144 MW de potncia instalada em 40 usinas nos Estados de Rondnia, Roraima, Par e Mato Grosso, Tabela 1.3

Os principais agentes que operam nos sistemas eltricos isolados do Pas so a Eletronorte, a Eletrobrs, os governos dos Estados do Amap e Roraima e alguns produtores independentes. A Eletronorte controladora das subsidirias Manaus Energia (Mesa), responsvel por 89,5% da energia distribuda no Estado do Amazonas (a grande maioria na capital, Manaus) e proprietria da usina hidreltrica (uhe) Balbina e usinas termeltricas (utes) Mau, Aparecida e Electron, e a Boa Vista Energia (Bovesa), que responde por 84% da energia distribuda no Estado de Roraima (essencialmente na capital, Boa Vista).

A Eletronorte supridora dos sistemas isolados do Amap, atravs da uhe Coaracy Nunes e ute Santana, Roraima, atravs de importao da empresa venezuelana Edelca e ute Floresta, Acre, atravs das utes Rio Branco e Rio Acre, e Rondnia, atravs da uhe Samuel e ute Rio Madeira.

A Eletrobrs controladora da Eletronorte e das seguintes empresas concessionrias distribuidoras federalizadas que operam em sistemas isolados: Companhia Energtica do Amazonas (Ceam), Centrais Eltricas de Rondnia (Ceron) e Companhia de Eletricidade do Acre (Eletroacre). A Ceam suprida parcialmente pela Mesa e possui pequenas centrais termeltricas (pcts). A Ceron possui pchs e pcts.

Os governos dos Estados do Amap e Roraima so controladores da Companhia de Eletricidade do Amap (Cea) e Companhia de Eletricidade de Roraima (Cer), respectivamente. A Cer suprida parcialmente pela Bovesa.

Os principais produtores independentes de energia (pies) que suprem os sistemas isolados possuem as seguintes usinas:

ute s El Paso Amazonas, El Paso Rio Negro e BK, no Estado do Amazonas;ute s Termonorte I e II, no Estado de Rondnia;ute Barro Vermelho, no Estado do Acre.

O produtor independente Guascor supre diversas localidades no interior dos Estados de Rondnia, Acre e Par, enquanto que o produtor independente Rovema atende a localidades no interior de Rondnia.

A previso de gerao trmica para as usinas dos Sistemas Isolados prognosticada pelo gton em seu Plano de Operao de 2008 totaliza uma potncia nominal de 9.710 GWh. O plano decenal de expanso de energia no horizonte de 2007 a 2016 prev que os sistemas isolados tero um crescimento de consumo entre 7,8 e 8,3% ao ano, superior ao crescimento de consumo entre 4,9 e 5,4% ao ano previsto para as regies atendidas pelo sistema interligado.

Na maioria das capitais dos estados amaznicos a gerao de eletricidade provm de sistemas hidrotrmicos. No interior, os sistemas isolados so atendidos majoritariamente por unidades


1.4 Lgica Operacional dos Sistemas Isolados

Conforme descrita acima, a gerao de eletricidade nos sistema isolados majoritariamente trmica e o combustvel utilizado o leo diesel. Duas so as causas disso: a simplicidade de instalao, operao e manuteno dos grupos geradores a diesel e o subsdio governamental ao combustvel denominado Conta de Consumo de Combustvel para os sistemas isolados, ccc-Isol, ou simplesmente ccc.

1.4.1 Simplicidade de Instalao, Operao e ManutenoGrupos geradores trmicos a diesel podem ser instalados rapidamente e tm um custo de instalao pequeno quando comparado com gerao a biomassa (R$650/kW para diesel contra R$1600/kW para biomassa). O tempo entre aquisio e operao varia entre 4 a 8 meses dependendo da potncia e pode ser adquirido desde a potncia de 7,5 kVA at 1 mva.

Esses sistemas requerem uma pequena quantidade de operadores, podendo at ser integralmente automatizadas, sendo controladas remotamente. Possuem flexibilidade para acompanhar as variaes das cargas, podem operar por longos perodos de tempo continuamente, fazendo com as exigncias de dec e fec da aneel sejam atendidas.

A manuteno desses sistemas dominada na regio e existem fabricantes no Brasil. Isso tem por conseqncia disponibilidade de peas de reposio e pessoal qualificado para executar os servios.

A principal desvantagem da gerao com combustvel fssil reside no custo da gerao. A gerao com diesel mais barata na Amaznia custa R$700/MWh (R$600,00/MW somente de combustvel), mas muito comum encontrar custo de gerao entre 900 e 1100 R$/MWh e eventualmente custos de 1300 R$/MWh. Alm disso, a gerao trmica fssil, pela sua prpria natureza, no est envolvida na economia local, pois no adquire produtos no local em que est instalada e retira recursos financeiros da economia local. Ela produz poucos empregos e esses empregos so qualificados, exigindo a contratao de pessoal de fora da localidade. Geralmente um enclave tecnolgico desvinculado do meio que est instalado gerando tenses econmicas e sociais, chegando ao ponto de serem dilapidadas pelas coletividades que deveriam atender. Essas centrais provocam um forte impacto ambiental. Um motor diesel lana 220 kgC/MWh (220 quilos de carbono por hora de operao para cada MW gerado pelo motor) na atmosfera. O seu lubrificante usado, como possui altos teores de metais, um contaminante, e seu manuseio regulado pelo conama. Finalmente, o suprimento de diesel transportado na regio amaznica por rios e estradas, e acidentes nos transportes acontecem, provocando vazamento de combustvel que contamina rios e florestas.

Os aspectos negativos (custo de operao e meio-ambiente) igualam ou superam os aspectos positivos (custo de instalao e flexibilidade), mas um subsdio governamental d atratividade econmica para o uso de combustveis fsseis: a conta de consumo de combustvel.

diesel eltricas de pequeno porte.Os sistemas que atendem as capitais Manaus, Porto Velho, Rio Branco, Macap e Boa Vista

representam cerca de 81% do mercado total dos sistemas isolados da Amaznia.


1.4.2 Conta de Consumo de Combustvel para os sistemas isolados, CCC-Isol

O mecanismo da Conta de Consumo de Combustveis ccc foi criado pelo Decreto n 73.102/73, que regulamentou a Lei n 5.899/73 (Lei de Itaipu) para atender as necessidades dos sistemas interligados. A ccc uma conta cuja arrecadao usada para cobrir os custos do uso de com-bustveis fsseis (menos a Tarifa de Energia Hidrulica; o subsdio de aproximadamente 90% do valor do leo diesel, por exemplo) para gerao termeltrica para o consumo pblico nos sistema Interligado e Isolado. A Conta rateada entre todos os consumidores de energia eltrica do Pas. As distribuidoras de energia so obrigadas a recolher, mensalmente, sua cota, que, por fora da legislao atual, tem que ser homologada pela aneel. O valor da cota proporcional ao mercado atendido por cada empresa.

A Eletrobrs a gestora da conta ccc. Ela responsvel pela aquisio e entrega do leo combustvel em cada unidade geradora. Ela tambm responsvel pelo acompanhamento da eficincia do uso do combustvel atravs do gton, Grupo Tcnico Operacional da Regio Norte. A ccc usa como limite superior de pagamento o consumo especfico do motor de 0,3 l/kWh. O custo do consumo acima desse limite arcado pela concessionria proprietria do motor.

So recolhedores da ccc-isol todos os Agentes de Distribuio que atendem ao consumidor final, na proporo de seu mercado, bem como os Agentes de Transmisso. A composio e o gerenciamento da ccc so determinados pela Resoluo aneel n 350/1999 e seu custo um dos componentes da Parcela A na Tarifa de Energia. Os valores anuais da ccc esto na figura 1.2.

Figura 1.4 Evoluo do custo da CCC, fonte ANEEL


Com a escassez cada vez maior dos recursos disponveis para investimentos no setor eltrico, foi estabelecida a necessidade de abrir a possibilidade de entrada de recursos privados, principalmente na gerao de energia eltrica. Surge a Lei n 9.074 de 07 de julho de 1995, a qual possibilitou a operao dos Produtores Independentes de Energia pie, estando estes sujeitos a regras operacionais e comerciais prprias.

A Lei n 10.438 ampliou o prazo para o trmino do benefcio da ccc nos sistemas isolados para 2022.

1.5 Sub-Rogao da CCC ISOL

Em 2002, a Lei n 10.438 de 22 de abril determinou que qualquer empreendimento que promova a substituio de derivados de petrleo ou que permita a reduo do dispndio da ccc-isol far jus sub-rogao dos benefcios do rateio da ccc.

A sub-rogao paga por 75% do custo de investimento de pequenas centrais hidreltricas, pch, centrais elicas, centrais solares, biomassa (incluindo biodiesel) e gs natural que venham a substituir ou deslocar a gerao eltrica trmica com combustveis fosseis. Tambm podem receber a sub-rogao os empreendimentos que reduzam o dispndio atual e ou futuro da ccc. Neste contexto, o gasoduto Coari-Manaus (desloca a gerao diesel/leo combustvel em Manaus), linha de transmisso Tucuru-Manaus entre outros empreendimentos, podem receber a sub-rogao da ccc. Cabe a aneel a regulamentao da concesso da sub-rogao.

O pagamento do benefcio inicia aps o empreendimento entrar em operao (ou autorizao da aneel) e faz pagamentos mensais proporcionais quantidade de energia fssil deslocada utilizando a equao(1.1).

Onde Vi o valor mensal a ser pago; Energia Medida a quantidade de energia gerada no ms pelo empreendimento que deslocou o consumo de combustvel fssil que provocou a reduo do encargo da ccc; K um coeficiente de incentivo acelerao da entrada do empreendimento (K=0,9 se entrada at 2009, se entrada antes de 2009 K=0,7 e se entrada aps 2014 K=0,5); CoEs o consumo especfico mximo dos motores que a ccc paga o combustvel = 0,3 l/kWh; PC o Preo do Combustvel deslocado; teh = Tarifa de Energia Hidrulica = 63,14 R$/MWh em 2008.

O valor da sub-rogao limitado a 75% do valor do investimento do projeto. Exceto para empreendimentos de transmisso e distribuio que tero direito a reembolso de 100% do investimento. Para saber o valor desse limite, o empreendedor deve submeter aneel a planilha de custos do empreendimento. Em 2008, 0 gton prev pagar de sub-rogao R$158 milhes, ou seja, 4,2% do valor previsto para a ccc em 2008.

Desde 2001, 36 empreendimentos tiveram autorizados pela aneel o direito de receber a sub-rogao da ccc: 15 pchs, 8 linhas de transmisso, 1 linha de distribuio, 3 reforos de rede, 4 sub-estaes, 1 usina termoeltrica a biomassa e 4 eficientizaes de unidades termoeltricas.

Vi = Energia medida . K . (1000 . CoEs . PC TEH) (equao 1.1)


1.6 Centrais Termoeltricas a Biomassa na Amaznia

Somente uma usina de biomassa solicitou sub-rogao da ccc (Usina de Itacoatiara, AM). O motivo disso so dois fatores: o desconhecimento da tecnologia e a disponibilidade de biomassa.

A tecnologia de centrais trmicas a biomassa ainda no foi absorvida pelas concessionrias do setor eltrico da regio Norte e ela est entrando na nessa regio via iniciativa privada para uso prprio. Somente a usina de Itacoatiara fornece para a concessionria de distribuio. Isso justifica a pequena quantidade de solicitaes de sub-rogao. Na Tabela 1.4 abaixo est uma lista de ute a biomassa operando na regio Norte em 2007.

Tabela 1.4 Centrais trmicas a biomassa em operao na regio amaznica em 2007.

A disponibilidade de resduo de biomassa tambm um fator restritivo. Esse material produzido por um ente privado e, conseqentemente, requer aquisio por parte do proprietrio da usina trmica. Como ser descrito nos captulos desse livro, o valor do resduo de biomassa no economicamente vivel se transportado por longas distncias. Isso implica que a central precisa ficar prxima da gerao de resduos e que sua potncia deve ser compatvel com o volume de resduos disponveis. Finalmente, esses precisam ter uma origem legal, ou seja, no podem ser originrios de desmatamento ilegal ou de procedncia incerta. Todos esses restritivos so superveis se previamente enfrentados pelo empreendedor.

A implantao de uma central a biomassa na Amaznia requer um planejamento de toda a cadeia produtiva da biomassa: sua produo, transporte, preparao para transform-la em combustvel, alimentao da usina de biomassa, converso da biomassa em eletricidade, conexo rede para distribuio e finalmente a comercializao dessa energia. Uma central desse tipo s ser atrativa ao empreendedor e regio se ela tiver os mesmos atrativos que uma central trmica a combustveis fsseis e no possuir seus problemas. A central trmica a biomassa, com a ajuda da legislao vigente, capaz de fazer isso.

Como descrito acima, o primeiro bice o preo de instalao da central a biomassa, a qual 2,5 vezes mais cara que a de uma usina a diesel. Com a sub-rogao da ccc, o custo da central de biomassa se torna aproximadamente metade do custo da central diesel. Obviamente que preciso que o empreendedor tenha o recurso financeiro total para central e a sub-rogao vir posteriormente para pagar os 75% do investimento, mas o mercado financeiro brasileiro possui opes para financiar empreendimentos desse tipo e porte.

Propriedade Potncia (MW)Local de Instalao

Itacoatiara-AM

Itacoatiara-AM

Belm-PA

Belm-PA

Paragominas -PA

Belm-PA

Breves-PA

Breves-PA

Tom-A-PA

9,0

5,0

1,5

0,4

1,25

0,2

0,7

3,0

1,0

BK Energia So Jos do Rio Claro S.A.

Maggi Energia S.A.

Tramontina Belm S.A.

Pampa Exportaes Ltda.

Floraplac Industrial Ltda.

Nordisk Timber Ltda.

Intel Ltda.

Madenorte S.A.

Serraria Nova Conceio Ltda.


Quanto aos aspectos ambientais, uma central a biomassa possui balano de carbono lanado na atmosfera muito menor que a das centrais com combustveis fsseis, pois somente o carbono lanado devido ao transporte da biomassa, que feito com leo diesel, adicionado na atmosfera. O restante recirculado durante a produo da biomassa, pois biomassa vegetal um combustvel renovvel. Essas centrais tambm possuem capacidade de resolver o problema ambiental dos passivos de resduos vegetais que so abandonados ou queimados a cu aberto.

Quanto aos aspectos scio-econmicos, centrais a biomassa tem a capacidade de serem integradas economia local, pois ela gera mais empregos, diretos e indiretos, que uma central diesel, inclusive com posies menos qualificadas que podem ser ocupadas por pessoal local e movimenta a economia local atravs da compra e transporte da biomassa.

Finalmente, como ser visto no captulo 6, o custo do kWh gerado tem valor muito inferior ao da gerao diesel e inferior ao preo para os consumidores finais de eletricidade das concessionrias. Esse valor no competitivo com a gerao hdrica, mas competitivo com qualquer outra gerao trmica. Essas centrais podem operar por longos perodos de tempo sem interrupo (requer 250 h/ano de parada para manuteno), e atendem as exigncias de dec e fec da aneel.

29Princpios para Uso de Biomassa como Combustvel

2 Princpios para Uso de Biomassa como Combustvel

Dois so os processos de converso da energia contida na biomassa que so abordadas neste livro: combusto e gasificao. Ambos os processos consistem da reao dos componentes da biomassa com ar. A combusto ocorre com excesso de oxignio enquanto que a gasificao ocorre com falta de oxignio. Excesso ou falta com relao a uma quantidade de referncia denominada quantidade de ar estequiomtrica. Este captulo apresentar os conceitos bsicos das reaes de combusto e gasificao e ensinar a quantificar as massas de combustvel e ar requeridos para esses processos, bem como o poder calorfico dos combustveis e a temperatura adiabtica da reao.

2.1 Conceitos Bsicos de Combusto

uma reao qumica de oxidao de materiais combustveis. Os reagentes, geralmente o oxignio do ar e um hidrocarboneto, colidem entre si causando a sua destruio. Os elementos qumicos resultantes dessa destruio se recombinam formando novas espcies qumicas denominadas de produtos. Essa destruio seguida de recombinao numa regio espacial especfica, liberando calor e eventualmente emitindo luz. Resumindo, a combusto uma reao qumica exotrmica entre um combustvel e um comburente, usualmente o oxignio, para liberar calor e formando como produto um grupo de espcies diferente dos reagentes.

Para compreender o fenmeno da combusto preciso entender os seguintes conceitos:

Reagente: uma mistura de combustvel e oxignio capaz de reagir entre si com liberao ou absoro de calor.

Combustvel: so as substncias capazes de reagir com os oxidantes. Neste texto sero sempre hidrocarbonetos, ou seja, uma cadeia de carbonos e hidrognios.

Oxidante: so as substncias que fornecem oxignio para o combustvel. Neste texto ser sempre o oxignio do ar.

Produto: so substncias residuais da reao dos reagentes. Neste texto sero compostos de CO2 e H2O, podendo tambm ter teores de CO, NO, hidrocarbonetos, particulados e outros, dependendo das condies da reao qumica.

Inerte: so substncias qumicas adicionadas aos reagentes que no reagem com o combustvel ou oxidante e compem os produtos. Neste texto N2 um tpico inerte.

Calor de Reao: o calor liberado durante a combusto (reao qumica exotrmica).

Manoel Fernandes Martins Nogueira


2.2 Combusto de Gases

Todo processo de combusto somente ocorre na fase gasosa. Um processo de combusto de gases pode ser exemplificado pela reao abaixo. Nela, o gs metano reage com o oxignio puro (o oxignio contido no ar vem acompanhado com nitrognio. Para cada tomo de O2 recolhido no ar, vem acompanhando 3,76 tomos de N2).

Nessa reao, os reagentes so o metano e o oxignio, que reagem entre si formando os produtos CO2 e H2O, liberando o calor de reao. Note que, para essa reao acontecer, preciso quantidades exatas de tomos envolvidos. Para cada tomo de carbono, preciso dois tomos de oxignio para formar CO2 e para cada dois tomos de hidrognio preciso fornecer um tomo de oxignio para formar uma molcula de gua. Essa reao com quantidades de combustvel e oxidante nas quantidades exatas denominada de reao estequiomtrica. A quantidade de oxidante numa reao estequiomtrica depende do combustvel e obtida a partir do balano de tomos dos reagentes e dos produtos.

A ttulo de exemplo, suponha que se deseja queimar metano na presena de oxignio puro (sem nitrognio). Deseja-se ento calcular a quantidade de oxignio necessria. O passo inicial assumir que o combustvel sempre uma molcula de metano. Calcula-se ento a quantidade de oxignio pelo balano de tomos. Assumindo que os produtos so somente CO2 e H2O:

C 1 = 1.a: Nos reagentes existe somente um tomo de C e nos produtos esse tomo formar CO2, ou seja, 1*a tomos de carbono. Conseqentemente, a=1.

H 4 = 2.b: Nos reagentes existem quatro tomos de hidrognio que devero aparecer nos produtos formando gua. A quantidade total de tomos de hidrognio nos produtos 2.b. Conseqentemente, b=2.

O2.x = 2.a + 1.b: Nos reagentes existem 2.x tomos de oxignio que, aps reagir, dever ser a mesma quantidade nos produtos, distribudo entre CO2 e H2O, ou seja, 2.a mais 1.b. Conhecendo os valores de a e b, obtm-se o valor de x=2 que a quantidade de tomos escrita na reao 1 para o oxignio.

Para controlar o processo de combusto, preciso saber as massas de combustvel e oxignio a ser fornecido, e no o nmero de molculas. Na reao 1, ao invs de fazer os clculos para uma molcula, ser feito para um mol. Um mol possui 6,0221023 molculas (nmero de Avogadro). A massa de um mol de cada elemento da frmula qumica. A massa de um mol de carbono 12g; de hidrognio 1g; de oxignio 16g; de nitrognio 14g (ver tabela peridica para outros elementos). As massas ento sero:

1CH4 1kmol1volume

+ 2O2+2kmol+2volumes

+ 2H2O+2kmol+2volumes

1CO2+1kmol+1volume

(equao 2.1)

(equao 2.2)

CH4 1 .12 +4 . 1 = 16gO2 2 . 16 = 32g

CH4 + xO2 aCO2 + bH2O


A razo oxignio-combustvel definida como massa de oxignio dividido pela massa de combustvel, neste caso a razo oxignio/combustvel 2. Se mais oxignio for colocado para reagir com o metano, denomina-se que o regente possui excesso de oxignio, enquanto que se for colocado menos que 2g de oxignio, denomina-se o reagente como com falta de ar.

2.2.1 Combusto com arNo item anterior foram apresentados conceitos importantes como reagentes, produtos, inertes, reao estequiomtrica, converso de mol para grama e o conceito de razo oxignio-combustvel.

Processos de combusto e gasificao na presena de oxignio puro s se justificam para plantas de grandes potncias devido ao custo de separar o oxignio do ar do nitrognio. Nos outros casos utiliza-se o oxignio do ar que possui o inconveniente de para cada molcula de oxignio trazer consigo 3,76 molculas de nitrognio, que um inerte. A reao estequiomtrica do metano neste caso :

Note que o nitrognio no reagiu. 7,52 mols de nitrognio para cada mol de CH4 foram introduzidos nos reagentes da reao (210,56g de N2 para cada 16g de CH4) e eles aparecem integralmente nos produtos. A presena de nitrognio reduz a temperatura da chama, e conseqentemente, a temperatura dos gases resultantes da combusto, pois absorve o calor liberado pela reao para elevar sua temperatura. Sem a presena de nitrognio, a temperatura da chama pode ultrapassar os 2000C, temperatura capaz de derreter as paredes da cmara de combusto. A desvantagem da presena do nitrognio que a altas temperaturas ele se dissocia e se associa com o radical oxignio livre formando NO. NO reage com oxignio do ar formando oznio, que um poluente. Processos de combusto normalmente usam ar.

Pela reao (2.3), possvel fazer o balano de massas entre reagentes e produtos.

Note que a massa total dos reagentes conservada nos produtos mesmo com o desaparecimento do combustvel e oxidante e surgimento de CO2 e H2O. Esse o princpio de conservao de massa e se aplica a qualquer reao. O fluxo de massa dos reagentes tem que ser igual ao fluxo de massa dos produtos. Previamente foi definido o conceito de razo oxignio-combustvel. Para o caso de combusto com ar, preciso definir a razo ar-combustvel.

Razo ar-combustvel

(equao 2.3)CH4 + 2(O2 + 3,76N2) CO2 + 2H2O + 7,52N2

Reagentes CH4 1 . 16 = 16g O2 2 . 32 = 64g N2 2 . 3,76 . 28 = 210,56g Total=290,56g

Produtos CO2 1 . 44 = 44g H2O 2 . 18 = 36g N2 2 . 3,76 . 28 = 210,56g Total=290,56g

massa de armassa de combustvel

= (equao 2.4)


Aplicando a equao (2.4) para o caso da combusto de metano e ar, a razo ar-combustvel ser:

Essa a razo ar-combustvel estequiomtrica. Este texto adotar que se mais ar for adicionado do que o ar estequiomtrico, a mistura ser pobre (por enquanto se paga somente pelo combustvel) e ocorrer > est . Se menos ar for adicionado combusto que o requerido pela reao estequiomtrica, a mistura reagente ser denominada rica e ter < est . Reagentes pobres e ricos tero diferentes produtos como ser visto na prxima seo. Diferentes combustveis possuem diferentes razes ar-combustvel. Veja o exemplo a seguir.

Deseja-se saber qual a razo ar-combustvel estequiomtrico para queimar butano, assumindo que o ar seco, que os produtos so somente CO2, H2O e N2 e no existe dissociao dos produtos.

A frmula qumica do butano C4H10 (frmula qumica de combustveis pode ser obtida em livros-textos de Termodinmica e Combusto). Escrevendo a reao estequiomtrica baseado no balano de tomos obtm-se:

ento

O balano de massa

A razo ar-combustvel estequiomtrica ento ser

64 + 210,5616

g de arg de metano

est = = 17,16

C4H10 + x(O2 + 3,76N2) aCO2 + bH2O + cN2C 1 . 4 = a . 1 a = 4H 1 . 10 = b . 2 a = 5O x . 2 = a . 2 + b . 1 a = 6,5N x . 3,76 . 2 = c . 2 a = 24,44

C4H10 + 6,5(O2 + 3,76N2) 4CO2 + 5H2O + 24,44N2

Reagentes C4H10 1 . 58 = 58gO2 6,5 . 32 = 208gN2 6,5 . 3,76 . 28 = 684,32g Total = 950,32gProdutos CO2 4 . 44 = 176gH2O 5 . 18 = 90gN2 24,44 . 28 = 684,32g Total = 950,32g

208 + 634,3258

g de arg de butano

est = = 15,38

2.2.2 Reagentes com misturas ricas e pobres Razo de EquivalnciaQuando os reagentes possuem misturas ricas ou pobres, a composio dos produtos diferente dos produtos de uma reao estequiomtrica (CO2, H2O e N2).


Numa mistura pobre, existe excesso de oxignio. Supondo no existir dissociao, o excesso de oxignio no tem com quem reagir e passa pela chama como se fosse um inerte e aparece nos produtos. Ento os produtos de uma mistura pobre sero CO2, H2O, N2 e O2. Veja a reao (2.5);

Onde:

Numa mistura rica, existe falta de oxignio. Supondo no existir dissociao, falta oxignio para reagir com todo o carbono e hidrognio disponvel, propiciando a formao de CO e H2. Ento os produtos de uma mistura rica so sero CO2, H2O, N2, CO e H2. Veja a reao (2.6).

Note que para escrever a reao global de misturas ricas preciso conhecer a partio do carbono e do hidrognio do combustvel entre CO2 e CO e entre H2O e H2, respectivamente. Essa partio depende da temperatura e presso em que a reao ocorre. O valor dessas parties pode ser calculado atravs da teoria do equilbrio qumico que vai alm do escopo deste texto e pode ser encontrado nos textos de Termodinmica e Combusto, entre outros. Os valores na reao (2.6) foram obtidos assumindo que a reao ocorre a presso de 1 atm e temperatura de 1700 K utilizando o programa ComGas v1.0 descrito no Captulo 13 deste texto e est no CD em anexo a este livro. A razo ar-combustvel para essa reao , ento

No processo de combusto busca-se consumir todo o combustvel uma vez que ele o componente pago da mistura. Nesses processos usam-se sempre os reagentes com misturas pobres (excesso de ar). Aumentando o excesso de ar causa a reduo da temperatura da chama, o que indesejvel. Como nmero referncia, a combusto deve ser feita com aproximadamente 3% de excesso de oxignio (~15% de excesso de ar). No processo de gasificao, busca-se converter o combustvel em CO e H2, e indesejvel produzir CO2 e H2O. Assim sendo, esse projeto feito em falta de oxignio, excesso de combustvel, caracterizando que os reagentes so uma mistura rica. Esses processos geralmente operam com 30% da quantidade de ar estequiomtrico.

Apesar de bastante empregado nas operaes de plantas de combusto e gasificao, o nmero razo ar-combustvel s faz sentido se for conhecido o valor da razo ar-combustvel estequiomtrica. Por exemplo, informar que o processo de combusto de metano est ocorrendo com razo ar-combustvel de 20 no permite saber se a mistura rica ou pobre. preciso previamente saber que a razo ar-combustvel estequiomtrico do metano 17,2. Como 20 > 17,2 ento pode-se concluir que a mistura pobre. Para contornar esse problema, a razo de equivalncia foi criada.

Razo de equivalncia definida como a razo combustvel-ar dos reagentes pela razo combustvel-ar em condio estequiomtrica. Essa definio vlida tanto na base molar quanto na base mssica. Alguns autores preferem utilizar a razo de equivalncia definida como razo ar-combustvel utilizada nos reagentes pela razo ar-combustvel na condio estequiomtrica.

(equao 2.5)

(equao 2.6)

CH4 + 3(O2 + 3,76N2) CO2 + 2H2O + 11,28N2 + O2

96 + 315,8416

g de arg de metano

= = 25,74

CH4 + 1(O2 + 3,76N2) 0,18CO2 + 0,82H2O + 3,76N2 + 0,82CO + 1,18H2

32 + 105,2816

g de arg de metano

= = 8,58


Este texto adotar a primeira definio. Ento razo de equivalncia :

Onde Ncomb e Nar so os nmeros de moles do combustvel e do ar na mistura que est sendo empregado e (Ncomb/Nar)est a razo combustvel-ar estequiomtrico. Nesta definio de >1, a mistura rica e se


2.2.3 Fraes Molares e Fraes MssicasPara que uma mistura seja caracterizada em termos de composio, peso molecular, energia, entalpia, entropia, etc., preciso conhecer a quantidade de cada espcie qumica contida nessa mistura. Essa quantificao feita atravs do clculo da frao molar (ou da frao mssica) de cada espcie.

Frao molar definida como a relao entre o nmero de mols de uma determinada espcie contida na mistura gasosa pelo nmero de mols de todas as espcies contidas na mistura.

Onde Xi a frao molar da espcie i, Ni o nmero de mol da espcie i na mistura e Ntotal o nmero total de moles da mistura.

Frao mssica definida como a relao entre a massa de uma determinada espcie contida na mistura gasosa pela massa de todas as espcies contidas na mistura.

Onde Yi a frao mssica da espcie i, mi a massa da espcie i na mistura e mtotal a massa total da mistura.

A equao (2.8) permite relacionar a equao (2.10) com a equao (2.9). Substituindo a equao (2.8) na equao (2.10), obtm-se:

Onde PMi o peso molecular da espcie i, PMtotal o peso molecular da mistura. PMtotal pode ser calculado com a expresso:

Exemplo: Deseja-se reagir acetileno (C2H2) e ar na = 0,5. Assumindo que o ar tem 5% de umidade e que no ocorre dissociao, calcule a razo ar-combustvel a ser imposta nos reagentes e as fraes molares e mssicas dos produtos.

Inicie determinando a reao estequiomtrica para o acetileno

Fazendo o balano de tomos obtm-se como reao estequiomtrica:

Como os reagentes esto sendo supridos cmara de combusto com = 0,5 (mistura pobre,

mimtotal

Yi =

PMiPMtotal

Yi = Xi

NiNtotal

Xi =

1n NiPMiNtotal

PMtotal = = XiPMin

1

C2H4 + x(O2 + 3,76N2 + 0,24H2O) aCO2 + bH2O + cN2

C2H4 + 3(O2 + 3,76N2 + 0,24H2O) 2CO2 + 2,72H2O + 11,28N2

(equao 2.9)

(equao 2.10)

(equao 2.11)

(equao 2.12)


Nar pode ento ser calculado sendo Nar= 6. Ento a reao real :

A razo ar-combustvel dessa reao ser

As fraes molares dos reagentes so

Note que a somatria das fraes molares dos reagentes igual a 1. Note tambm o grande teor de N2 diluindo o reagente. Da mesma forma encontra-se a frao molar dos produtos.

Note que novamente a somatria das fraes molares 1.Para clculo das fraes mssicas dos reagentes e produtos, preciso calcular seus pesos

moleculares. Utilizando a equao (2.11)

J o peso molecular dos produtos

Note que no houve variao do peso molecular dos reagentes e dos produtos e nem poderia ser diferente, pois a populao de tomos contidos nos reagente a mesma dos produtos.

Utilizando a equao (2.10) as fraes de massa dos reagentes podem ser calculadas:

excesso de ar), preciso calcular a real quantidade de ar que admitida no combustor. Usando a equao 2, obtm-se:

= 0,5 =

1x

1 3 est

C2H4 + 6(O2 + 3,76N2 + 0,24H2O) 2CO2 + 3,44H2O + 22,56N2 + 3O2

6 . (32 + 3,76 . 28 + 0,24 . 18)1 . 28

= = 30,3 g de ar/g de acetileno

116

11 + 3 . (1 + 3,76 + 0,24)

XC2H4 = = = 6,2%

616

2816

7216

XO2 = = 18,8% XN2 = 11, = 70,5% XH2O = 0, = 4,5%

22 + 3,44 + 22,56 + 3

231

XCO2 = = = 6,5%

331

5631

4431

XO2 = = 9,7% XN2 = 22, = 72,7% XH2O = 3, = 11,1%

gmol

PMreagente= Xi . PMi = 0,062 . 28 + 0,188 . 32 + 0,705 . 28 + 0,045 . 18 = 28,3 n

1

gmol

PMproduto = Xi . PMi = 0,065 . 44 + 0,097 . 32 + 0,727 . 28 + 0,111 . 18 = 28,3 n

1


E as fraes mssicas dos produtos sero

2.2.4 Calor de Reao e Poder CalorficoO ponto de partida para o dimensionamento de um sistema de potncia por combusto ou por gasificao a quantificao de quanta energia existe no combustvel. No caso de processos de combusto, deseja-se converter essa energia em calor, enquanto que no processo de gasificao deseja-se transferir a energia contida na biomassa para os gases produto da gasificao. A maneira de quantificar essa energia quantificando o calor de reao.

Calor de reao definido como a quantidade de calor liberado durante a reao estequiomtrica de combusto at que o produto alcance a mesma temperatura do reagente. Exemplificando, considere um recipiente presso constante cheio de metano e oxignio com razo ar-metano igual estequiomtrica e temperatura 298 K. Iniciando a combusto (talvez com uma centelha), a temperatura sobe at alcanar o mximo possvel (por exemplo, 1700 K). Como o exterior do recipiente est a 298 K, calor removido e a temperatura no seu interior baixa, e depois de certo tempo o produto da combusto no interior do recipiente entra em equilbrio com o meio externo a 298 K. A quantidade de calor removido denominada calor de reao.

Para quantificar o calor de reao utiliza-se a primeira lei da Termodinmica que estabelece, no caso de processo a presso constante, que a energia liberada igual variao de entalpia entre produto e reagentes.

Onde QR o calor de reao, Hproduto e Hreagente so respectivamente as entalpias do produto e do reagente. Essas entalpias podem ser quantificadas pela expresso

Onde Ni o nmero de moles da espcie i contida na mistura e H = Ni . hin

1

a entalpia molar dessa

espcie na temperatura da mistura (kJ/mol). O nmero de moles de cada espcie obtido da reao estequiomtrica e a entalpia molar a soma da entalpia de formao a temperatura de 298 K e da entalpia sensvel que a mistura possui a certa temperatura. O conceito detalhado de entalpia de formao e entalpia sensvel extrapola o escopo deste livro e o leitor pode recorrer aos textos de (Van Wylen, Sonntag et al., 1994), (Moran e Shapiro, 2008), e (Turns, 2000), entre outros, para melhor compreenso. Neste texto, entalpia de formao a quantidade de energia

2828,3

3228,3

2828,3

1828,3

YC2H4 = 6,2 = 6,1% YO2 = 18,8 = 21,3%

YN2 = 70,5 = 69,7% YH2O = 4,5 = 2,9%

4428,3

3228,3

2828,3

1828,3

YCO2 = 6,5 = 10,1% YO2 = 9,7 = 11,0%

YN2 = 72,7 = 71,9% YH2O = 11,1 = 7,0%

QR = Hproduto - Hreagente

H = Ni . hin

1

(equao 2.13)

(equao 2.14)


necessria para formar uma determinada espcie qumica a 298 K (por exemplo, CO2) e entalpia sensvel a quantidade de calor necessria para elevar a temperatura da espcie de 298 K at certa temperatura. Ento:

A entalpia de formao a 298 K e 1 atm das espcies de interesse (Hidrocarbonetos, H2O, O2, N2, CO2, etc.) podem ser encontrados nos textos (Van Wylen, Sonntag et al., 1994), (Moran e Shapiro, 2008), e (Turns, 2000). A maneira mais simples de calcular o calor sensvel assumindo que o calor especfico molar a presso constante da espcie seja constante e igual ao valor mdio dos

hsensvel = Cp . (Tgas - 298)

s temperaturas de 298 K e final do gs em K. Ento:

Os hsensvel = Cp . (Tgas - 298)

a diferentes temperaturas podem ser encontrados nos textos indicados acima e a variao com temperatura pode ser vista na figura 2.1.

Figura 2.1 Calor especfico molar a presso constante em funo da temperatura de algumas espcies qumicas

Para clculo do calor de reao, a maneira mais simples considerar que a temperatura do reagente e do produto a mesma e igual a 298 K. Isso faz com que o termo de calor sensvel seja nulo.

Para exemplificar a metodologia de clculo do calor de reao, calculemos esse valor para o metano reagindo com o ar conforme a reao (2.5) considerando que o reagente e o produto esto a 298 K. Para resolver a equao (2.13), preciso calcular a entalpia dos produtos e dos reagentes. Pela equao (2.14)

Onde pela reao (2.5)

As entalpias molares sero calculadas pela equao (2.16) e equao (2.17), lembrando que todas

hi = hformao + hsensvel

hsensvel = Cp . (Tgas - 298)

Hprodutos = NCO2 . hCO2 + NH2O . hH2O + NN2 . hN2

Hprodutos = 1 . hCO2 + 2 . hH2O + 7,52 . hN2

(equao 2.15)

(equao 2.16)

(equao 2.17)


as espcies esto a mesma temperatura, 298 K. Obtendo a entalpia de formao do (Turns, 2000), em J/mol.

Substituindo os resultados acima na equao (2.17) obtm-se

Utilizando o mesmo procedimento para os reagentes

Substituindo os resultados acima na equao (2.11) obtm-se

O calor de reao para a reao (2.5), conforme equao (2.13),

Note que esse calor liberado para um mol de metano, pois na reao (2.5) foi considerado somente 1 mol de metano. Para evitar dvidas, ento comum explicitar isso escrevendo

O sinal negativo significa que o calor est saindo do recipiente, ou seja, um processo exotrmico. Para termos a quantidade total de calor que ser liberado preciso calcular o nmero de moles de metano que est dentro do recipiente, que pode ser calculado com a equao dos gases perfeitos

Onde PCH4 a presso parcial do metano no recipiente, Ru a constante universal dos gases

hCO2 = hformao,CO2 + CpCO2 . (TCO2 - 298) = -393546 +

+ Cpp,CO2 . (298 - 298) = -393546 J

mol

hH2O = hformao,H2O + CpH2O . (TH2O - 298) = -285855 J

mol

hN2 = hformao,N2 + CpN2 . (TN2 - 298) = 0 J

mol

hprodutos = 1 . -393546 + 2 . 285855 + 7,52 . 0 = -965256 J

mol

hCH4 = hformao,CH4 + CpCH4 . (TCH4 - 298) = -74831 +

+ CpCH4 . (298 - 298) = -74831 J

mol

hO2 = hformao,O2 + CpO2 . (TO2 - 298) = 0 J

mol

hN2 = hformao,N2 + CpN2 . (TN2 - 298) = 0 J

mol

QR = Hproduto - Hreagente = -965256 - (-74831) = - 890425 J

QR = - 890425 J mol de metano

PCH4 . V = NCH4 . Ru . T (equao 2.18)

Hreagentes = 1 . -74831 + 2 . 0 + 7,52 . 0 = -74831 J

mol


(8,3144 kJ/kmol-K), NCH4 o nmero de moles de metano, V o volume do recipiente e T a temperatura, em K, que a mistura se encontra. A presso parcial do gs pode ser calculada utilizando a frao molar desse gs na mistura, ou seja:

Onde Ptotal a presso total dos gases. O calor total liberado na reao ser

Poder calorfico do combustvel Calor de reao no uma propriedade prtica para uso cotidiano, seja por ser um valor negativo (sempre ser negativo numa reao exotrmica, pois o produto tem menos energia que o reagente), seja por estar em base molar. Para contornar essas desvantagens, o conceito de poder calorfico foi criado.

Poder calorfico definido como o calor de reao, com o sinal invertido e na base mssica. Foi visto que calor de reao na base molar. Foi visto tambm que o nmero de moles convertido em massa, o multiplicando pelo peso molecular da espcie. Assim sendo, o poder calorfico pode ser calculado, a partir do calor de reao, utilizando a equao (2.20).

Ento o poder calorfico do metano

No dimensionamento de equipamentos trmicos com troca de calor, indesejvel ter condensao de gua nos produtos. Seja pela dificuldade em remover, seja pela incompressibilidade da gua na fase lquida. Assim sendo, preciso definir dois poderes calorficos: o poder calorfico superior (pcs) e o poder calorfico inferior (pci).

pcs calculado utilizando a quantidade de calor extrado da reao qumica, de maneira que gua no produto condensa e fica na fase lquida. Se a temperatura do reagente e do produto for 298 K a 1 atm, necessariamente a gua nos produtos estar na fase lquida. Ento nesse caso, esse ser o pcs.

Para o metano, o pcs = 55651 kJ/kg de metanopci calculado com uma quantidade menor de calor extrada do que a extrada para quantificar o pcs, de

maneira que a gua nos produtos permanea na fase vapor. O pci calculado subtraindo de energia liberada na reao pela quantidade de energia liberada durante a condensao, conforme descrito na equao (2.22).

Xi = Pi

Ptotal

QR,total = QR . XCH4 . Ptotal . V

Ru . T

PC = [kJ kg de combustvel]- QR

PMcomb

PC = = 55651 kJ kg de metano- ( - 890425)

16

PCS = [kJ kg de combustvel]- QR

PMcomb

(equao 2.20)

(equao 2.19)

(equao 2.21)


Onde mH2O a massa de gua condensada e hlv a diferena entre a entalpia de vapor e a entalpia do lquido, entalpia de vaporizao, que depende da temperatura de vaporizao. A equao (2.22) pode ser simplificada na equao (2.23).

Calculando o pci para o metano utilizando o pcs calculado acima de 55651 kJ/kg de CH4, a reao (2.5), e sabendo que a entalpia de condensao para gua a 1 atm entre o estado de vapor saturado a 100C e o lquido saturado a 298 K 2257 kJ/kg, obtm-se:

A Tabela 2.1 apresenta propriedades de hidrocarbonetos combustveis, listando, entre outras, a entalpia de

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