pfc gonzalo lopez-abente munoz
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UNIFEI/IEM
Aluno: Gonzalo Lpez-Abente Muoz - 26425
Orientador: Prof. Dr. Christian R. Coronado
Co-Orientador: MSc. Csar A. Rodrguez Sotomonte
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UNIFEI/IEM Trabalho Final de Graduao
ii
Resumen del Proyecto Final de Carrera
ANLISIS TERMODINMICO DE UN CICLO RANKINE
ORGNICO UTILIZANDO FUENTES DE ENERGA
RENOVABLES
Introduccin
El elevado crecimiento del actual ambiente socio econmico llev a la necesidad de
buscar formas de obtener energa que permitan disminuir la dependencia de las fuentes de
combustible fsiles y as tambin disminuir la contaminacin medioambiental. Las fuentes
renovables de baja y media temperatura son recursos energticos de elevado potencial para la
generacin distribuida de electricidad. Este proyecto muestra la viabilidad termodinmica de
un ciclo Rankine Orgnico (ORC) para tres fuentes renovables diferentes: energa geotrmica,
energa solar y biomasa. Para realizar el estudio se fij algunos valores, como por ejemplo, las
temperaturas de trabajo de cada fuente renovable. Una vez definidas, se hizo una simulacin
del ciclo ORC en el programa Aspen HYSYS v3.2. Los fluidos de trabajo del ciclo ORC
son los fluidos orgnicos. Se realiz simulaciones para diferentes fluidos orgnicos y se
obtuvo as los parmetros necesarios para el anlisis termodinmico en funcin del fluido que
ms potencia poda generar o mayor rendimiento de ciclo present.
Anlisis termodinmico del sistema
A continuacin se muestran los datos termodinmicos obtenidos al simular el ciclo
ORC para las diferentes fuentes renovables estudiadas: energa geotrmica , solar y biomasa.
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UNIFEI/IEM Trabalho Final de Graduao
iii
En este estudio se ha tenido en cuenta una temperatura de la fuente renovable constante. Se ha
ido variando la presin de evaporacin para obtener las condiciones en las que el ciclo trabaja
en el punto de mayor eficiencia y potencia trmica, que no tienen por qu ser el mismo. Estos
ciclos son simulados computacionalmente utilizando un software de simulacin de procesos
industriales.
El software utilizado es Aspen HYSYS v3.2 desarrollado por la Hyprotech. HYSYS es
un software para modelar procesos qumicos, usado principalmente en la industria
petroqumica, refineras y un nmero elevado de empresas de ingeniera. Este software
dispone de una extensa base de datos, con ms de 1500 sustancias tanto solidas como liquidas
o gaseosas as como las propiedades fsicas y qumicas de cada una de ellas.
Anlisis termodinmico
El ciclo que se consider para realizar el anlisis fue un ciclo ORC simple subcrtico,
compuesto por cuatro componentes: bomba, evaporador, turbina y condensador. El ciclo esta
formado por cuatro procesos que ocurren en rgimen permanente (Figura 4.1): expansin en
la turbina expanso na turbina (12), transferencia de calor en el condensador hasta que el
fluido se encuentre en estado de lquido saturado (23), aumento de presin por la accin de
la bomba (34) y transferencia de calor en el evaporador hasta que el fluido se encuentre en
estado de vapor saturado (41). En este ltimo proceso se observa el Pp (pinch point) y el
TTD (diferencial de temperatura terminal) en el diagrama T-S (Figura 4.1), estos dos
paramentaros deben ser establecidos en el ciclo. As cuando se realice la simulacin de la
transferencia de calor en el evaporador la temperatura de la fuente nunca se corte con la
temperatura del fluido orgnico, esto asegurar un funcionamiento preciso del ciclo.
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UNIFEI/IEM Trabalho Final de Graduao
iv
Figura 1.1 Ciclo ORC simple, configuracin y diagrama T-S.
Para realizar el anlisis termodinmico se realizaron las siguientes consideraciones: la
eficiencia isentrpica de la turbina (t) y de la bomba (b) se fijaron en 80%. La TTD entre la
fuente de calor y el fluido orgnico tiene que ser como mnimo de 10 C, o Pp del evaporador
es considerado de 3 C, el caudal del fluido de la fuente de calor (agua) se consider de 100
kg/s y se asume que no existen perdidas de presin ni en el evaporador ni en el condensador.
No se consider prdidas de calor en los equipamientos con el exterior.
La temperatura de condensacin del fluido orgnico se consider de 40 C, para
realizar la condensacin se utilizo agua a una temperatura ambiente de 25 C.
El fluido orgnico a la salida del evaporador se considera vapor saturado (punto 1,
Figura 4.1) y a la salida del condensador se considera liquido saturado (punto 3, Figura 4.1).
La Figura 4.2 muestra la configuracin del ciclo ORC en el software Aspen HYSYS.
Para efectos de simulacin computacional se coloc dos evaporadores para poder definir el Pp
y el TTD.
En el programa HYSYS se utiliz el modelo termodinmico de Peng-Robinson
modificado por Stryjek-Vera (PRSV) para obtener las propiedades termodinmicas de los
fluidos orgnicos utilizados en el ciclo ORC.
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Figura 1.2. Simulacin del Ciclo Rankine Orgnico Aspen HYSYS v3.2.
Para realizar el anlisis termodinmico se estudian la primera y segunda ley de la
termodinmica en cada uno de los componentes del ciclo. A partir de balances de masa
(Ecuacin 4.1) y energa (Ecuacion 4.2) se obtiene por una parte el trabajo en la turbina y la
bomba y por otra el calor absorbido en el evaporador y el disipado en el condensador.
Una vez que tengamos estos datos se obtendr el rendimiento trmico del
ciclo(Ecuacin 4.3), que se define como la divisin del trabajo total del ciclo entre el calor
absorbido en el evaporador.
A partir de la segunda ley de la termodinmica es posible analizar la cantidad de
irreversibilidades en cada componente.
A continuacin se realiz el anlisis termodinmico de las diferentes fuentes
renovables estudiadas.
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Energa geotrmica
La temperatura escogida para esta fuente fue de 100C debido a su elevado potencial
para la generacin de electricidad tanto en Europa como en Brasil. Los fluidos orgnicos
utilizados fueron el R134a y el n-pentano ya que muestran buenas propiedades
termodinmicas a bajas temperaturas.
Energa solar
La temperatura para la energa solar se fij en 150C ya que como se revis en la
literatura cientfica es la temperatura que pueden llegar en los concentradores los colectores
solares parabolicos que son los mas utilizados en generacin de electricidad en pequea
escala. Para este ciclo se utiliz los fluidos orgnicos R600 y el Benceno.
Biomasa
Para hacer la simulacin de biomasa se utiliz una temperatura de funcionamiento de
350C. Los fluidos orgnicos utilizados fueron ciclopentano y el octametiltetrasiloxano (MM)
ya que muestran buenas caractersticas para fuentes de altas temperaturas.
SIMULACIONES
A continuacin se va a realizar las simulaciones de las distintas energas renovables
para comprobar cul de los fluidos orgnicos escogidos ofrecen mejor desempeo en el ciclo.
Al final del captulo se compararn las tres fuentes renovables para ver cual es ms rentable.
Simulaciones para energa geotrmica
Utilizando el programa HYSYS se calcul el rendimiento (Figura 4.3) y potencia total
del ciclo ORC (Figura 4.4) para diferentes presiones de evaporacin para los fluidos
orgnicos seleccionados manteniendo la temperatura de la fuente geotrmica constante a
100C. A partir de la figura 4.3 se observa que a mayor presin de evaporacin mejor
rendimiento tiene el ciclo, ya que para una fuente de calor constante una mayor presin de
evaporacin conlleva a un menor caudal msico de fluido orgnico.
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En la Figura 4.4 se observa que el aumento de la presin de evaporacin hace que
aumente la potencia en la turbina hasta cierto punto en el que comienza a disminuir la
potencia con respecto al aumento de la presin. Esto sucede porque la potencia depende tanto
de la diferencia de entalpias como del caudal msico, con el aumento de la presin aumenta
tambin la diferencia de entalpias pero el caudal msico disminuye con el aumento de la
presin de evaporacin, llegando un punto en el que esta disminucin es mayor que el
aumento de la variacin de la entalpia, esto conlleva a que la potencia baje.
Figura 4.3. Variacin del rendimiento en funcin de la presion de evaporacion a 100C.
Figura 4.4. Variacin de la potencia total del ciclo en funcion de la presin de evaporacion
para 100C
Nos quedamos con el fluido que puede generar mayor potencia, en este caso es el
R134a ya que es capaz de realizar un mayor aprovechamiento de la fuente geotrmica. Una
vez seleccionado el fluido realizamos el estudio de las irreversibilidades de los componentes,
3
4
5
6
7
8
9
10
0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500
Efic
in
cia(
%)
Presso evaporao (kPa)
R134a
n-pentano
300
400
500
600
700
800
900
1000
0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500
Po
tn
cia
tota
l (kW
)
Presso evaparao (kPa)
R134a
n-pentano
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donde el evaporador destac por ser el componente ms crtico, generando el que mayor
irreversibilidad con un valor del 44%, esto debido a la alta diferencia de temperaturas entre la
fuente de calor y el fluido orgnico, el siguiente componente con mas irreversibilidad es el
condensador, debido a las prdidas de calor disipadas en el agua de alimentacin del
condensador.
Simulaciones para energa solar
Las condiciones iniciales para el estudio de energa solar fueron las mismas que para
energa geotrmica. Se compar la potencia y el rendimiento de los fluidos orgnicos R600 y
Benceno donde se obtuvo que el que mejor rendimiento y mayor potencia ofreca era el fluido
orgnico R600. En el estudio de las irreversibilidades se observo un comportamiento similiar
al ocurrido en el caso de energa geotrmica, donde el componente de mayor irreversibilidad
fue el evaporador, seguido del condensador.
Simulacin para biomasa
En biomasa despus de realizar las simulaciones en el programa HYSYS se obtuvo el
ciclopentano como el mejor fluido para trabajar con las condiciones iniciales impuestas y a la
temperatura de 350C. En el estudio de las irreversibilidades se mostro que el evaporador
tiene el 53% de las irreversibilidades del sistema, es ms elevada que para geotrmica y solar
debido a que la temperatura del evaporador es aun de mayor valor que para las otras dos
fuentes estudiadas.
Resultados
Ahora se comparan las tres fuentes estudiadas con los correspondientes fluidos que mejor
resultados mostraron. En esta comparacin se tiene en cuenta la potencia en la turbina (Figura
4.5), el rendimiento trmico del ciclo (Figura 4.6), el calor absorbido en el evaporador (Figura
4.7) y las irreversibilidades de los componentes (Figura 4.8).
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Figura 1.5 Potencia en la turbina
Figura 1.6 Rendimiento trmico
1031
1786
1013
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
geotrmica (R134a) solar (R600) biomassa (ciclopentano)
Wt (kW)
5,9
10
15,4
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
geotrmica (R134a) solar (R600) biomassa (ciclopentano)
Eficincia trmica (%)
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Figura 1.7 Calor absorbido en el evaporador
De los resultados obtenidos se observ que la energa solar es la fuente capaz de generar
mayor potencia. Comparando las fuentes de geotrmica y solar se vio que un aumento de
temperatura de 50C aumenta en torno del 70% la generacin de potencia en la turbina, esto
es debido a que es posible operar con una variacin de presin mayor en la turbina. En la
figura 4.7 se observa que el calor absorbido en el evaporador en el caso de energa solar es
10% mayor que la de geotrmica, por lo que la muestra que la cantidad de calor absorbido no
tiene una fuerte dependencia de la temperatura de la fuente de calor.
Por otro lado al comparar la energa solar y biomasa se observa que aunque la potencia
generada por la biomasa es 43% menor que la solar el rendimiento de la biomasa es mayor y
el calor absorbido en el evaporador es 70% menor que para la energa solar (Figura 4.7).
Por lo que la potencia generada en la turbina depende tanto de la temperatura de la
fuente asi como de la cantidad de calor absorbido en el evaporador.
15401,8 16744
5000
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
18000
geotrmica (R134a) solar (R600) biomassa (ciclopentano)
Qevap (kW)
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Figura 1.8 Irreversibilidades para las trs fuentes renovables estudiadas.
En la Figura 4.8 se observa que en el evaporador las irreversibilidades aumentan con el
aumento de la temperatura de la fuente de calor, ya que cuanto mayor es la diferencia de
temperatura entre el evaporador y el ambiente ms calor es desperdiciado. En la bomba las
irreversibilidades son despreciables.
CONCLUSIONES
A partir de la revisin bibliogrfica realizada en este proyecto se concluye que para
aprovechar fuentes de calor de baja y media temperatura, el ciclo ORC tiene mayores ventajas
que el ciclo Rankine convencional. Algunas de estas ventajas son trabajar a bajas presiones de
evaporacin, menores temperaturas de entrada en la turbina lo que se traduce en turbinas mas
simples.
A partir del anlisis de primera ley de la termodinmica, para las condiciones
propuestas se obtuvo que la energa solar genera una potencia de 1786 kW lo que representa
una generacin de 70% mayor que para energa geotrmica y biomasa. Con respecto al
rendimiento trmico, la biomasa fue la fuente renovable que mayor rendimiento mostro con
un valor de 15,4%, seguida de la energa solar con 10% y de la geotrmica con un 5,9%. Se ve
que la eficiencia aumenta con el aumento de la temperatura de la fuente de calor.
A partir de los resultados, se concluye que es de elevada complejidad determinar cul
de las fuentes renovables tendr mejor resultado, ya que cada una de ellas tiene diferentes
ventajas e inconvenientes. Aunque la energa geotrmica tenga un elevado potencial para
0
10
20
30
40
50
60
turbina condensador bomba evaporador
Irreversibilidades (%)
geotrmica (R134a)
solar (R600)
biomassa (ciclopentano)
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bajas temperaturas, es la energa que presenta un mayor desafo para su aprovechamiento.
Para energa solar se necesita mucha energa absorbida en el evaporador para generacin de
potencia esto conlleva a utilizar un intercambiador de calor de grandes dimensiones. Entre las
tres energas renovables estudiadas utilizando el ciclo ORC, la biomasa es la ms utilizada ya
que es la fuente que mayor temperatura puede alcanzar haciendo con que sea mayor el
aprovechamiento de esta tecnologa.
En este proyecto se mostro que los fluidos R134a, R600 y ciclopentano trabajando con
las fuentes de geotrmica, solar y biomasa respectivamente, generan ms potencia cuando se
comparan con los dems fluidos estudiados.
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Dedicatria
Gostaria dedicar este trabalho, o qual representa o final de uma etapa, a minha me e
meu pai pela educao recebida e pelo apoio mostrado em minhas decises, a meu irmo que
sempre esteve nos momentos difceis e aos meus amigos por acompanhar-me no caminho e
faz-lo divertido.
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Agradecimentos
Gostaria de agradecer a Universidade Carlos III de Madrid e a UNIFEI pela
oportunidade oferecida para realizar este intercmbio to enriquecedor tanto na parte
acadmica como pessoal.
Queria agradecer a meu orientador o Prof. Dr. Christian e a meu co-orientador o MSc.
Cesar Sotomonte pelas correes na confeco e pela ajuda mostrada neste Trabalho Final de
Graduo.
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Resumo
O elevado crescimento do atual ambiente socioeconmico levou necessidade de
procurar formas de obter energia que permitam diminuir a dependncia das fontes de
combustveis fsseis e ao mesmo tempo interromper as mudanas climticas que os mesmos
combustveis fsseis esto ocasionando na Terra. As fontes renovveis de energia de baixa e
mdia temperatura so recursos energticos de elevado potencial para a gerao distribuda de
eletricidade e tambm tero uma influncia importante no modo de vida das pessoas ao
permitir uma produo de energia descentralizada. O presente trabalho mostra a viabilidade
termodinmica e uma proposta de anlise de custos de um ciclo Rankine Orgnico (ORC)
para trs diferentes fontes trmicas renovveis: a energia geotrmica, energia solar e a
biomassa. Para a realizao deste estudo foram fixados alguns valores, como por exemplo, as
temperaturas de trabalho para cada fonte trmica (energia geotrmica, solar e biomassa). Uma
vez definidas, foi realizado uma simulao do ciclo ORC no programa computacional Aspen
HYSYS v3.2 desenvolvido pela Hyprotech Ltd. Os fluidos de trabalho do ciclo ORC so os
fluidos orgnicos. Foram realizadas simulaes para diferentes fludos orgnicos e obtendo
assim os parmetros necessrios para anlise termodinmica conforme ao maior rendimento e
potncia trmica. Foi apresentada uma proposta de anlise econmica para os principais
componentes do sistema termodinmico para cada ciclo ORC.
Palavras-chave: ORC, termodinmica, fluidos orgnicos, energias renovveis,
irreversibilidades.
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Abstract
The growth of the current socioeconomic environment has led to the need of looking
for new ways of power that reduce the dependence on fossil fuel sources. This new ways of
power will also reduce the climate changes caused by the fossil fuel. Renewable energy for
low and medium temperature have a high potential for electricity generation and will also
have an important influence on the way people live by enable decentralized energy
production. The present work shows the thermodynamic viability and a cost analysis proposal
of an ORC cycle for three different renewable sources, geothermal energy, solar energy and
biomass. For this study some values were fixed, such as working temperature for each heat
source (geothermal energy, solar and biomass). An ORC cycle simulation was made using the
Aspen HYSYS v3.2 software developed by Hyprotech Ltd. Simulations for different
organic fluids were made to obtain the required parameters for the thermodynamic viability
taking into account the higher thermal efficiency and power production. A cost analysis for
the system components for each ORC cycle was proposed, given the impossibility of
obtaining real cost values.
Key words: ORC, thermodynamics, organic fluid, renewable energy, irreversibility.
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Lista de Figuras
Figura 1.1 Evoluo da provvel demanda de energia global dividida em diferentes
combustveis. .............................................................................................................................. 1
Figura 1.2 Taxas mdias anuais de crescimento das energias renovveis e capacidade de
produo de biocombustveis globais, 2005-2010. .................................................................... 2
Figura 1.3 Cota de energias renovveis na produo de eletricidade Global, 2011. ................. 3
Figura 2.1Comparao entre rendimentos do ORC e o ciclo Rankine convencional para
diferentes gamas de potncia. ..................................................................................................... 5
Figura 2.2 Arranjo de um ciclo ORC com recuperador e pr-aquecedor. ................................. 8
Figura 2.3 Relao de tipos de mquinas de expanso com potncia para diferentes fontes de
calor ............................................................................................................................................ 9
Figura 2.4 Desenho 3D e fotografia de uma turbina radial. .................................................... 10
Figura 2.5 Ciclo ORC simples, esquema e diagrama T-S. ...................................................... 11
Figura 2.6 Ciclo ORC com recuperador, esquema e diagrama T-S . ...................................... 11
Figura 2.7 Curvas dos distintos fluidos orgnicos, a) fluido seco, b) fluido mido, c) fluido
isentrpico. ............................................................................................................................... 12
Figura 3.1 Aquecimento do ambiento com energia geotrmica. ............................................. 15
Figura 3.2 Capacidade instalada de produo de eletricidade a partir das fontes geotrmicas
em 2010 na Terra ...................................................................................................................... 16
Figura 3.3 Esquema de funcionamento das diferentes centrais geotrmicas. ......................... 17
Figura 3.4 Esquema de um ORC para uma fonte geotrmica. ................................................ 18
Figura 3.5 Central Granja Empire de ciclo binrio (3,6MW)(Estados Unidos). ..................... 19
Figura 3.6 Esquema de uma planta geotrmica ....................................................................... 19
Figura 3.7. Possveis fontes geotrmicas no Brasil ................................................................. 22
Figura 3.8 Distribuio da irradiao solar na Terra ............................................................... 22
Figura 3.9. Painel de Silcio policristalino (a) e Silcio monocristalino (b) ............................ 23
Figura 3.10 Painel de Silcio amorfo ....................................................................................... 24
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Figura 3.11 Disposio de um sistema FV. ............................................................................. 25
Figura 3.12 Preo das clulas fotovoltaicas de silcio cristalino (em $/Wp)........................... 26
Figura 3.13 Configuraes de plantas solar trmicas .............................................................. 27
Figura 3.14 Esquema de um ciclo ORC para uma fonte solar ................................................ 28
Figura 3.15 Sistema solar com ciclo ORC em Lesotho, sul da frica(1 kW). ....................... 28
Figura 3.16 Relao entre a eficincia do coletor e do ORC. ................................................ 29
Figura 3.17 Diagrama esquemtico dos processos de converso energtica da biomassa ...... 30
Figura 3.18 Esquema de um ciclo ORC para uma fonte de biomassa. ................................... 31
Figura 3.19 Operao e combustvel do Gaseificador downdraft de biomassa de 30 kW. ..... 32
Figura 3.20. Gaseificador Downdraft de Biomadssa de 30 kW instalado na Fac. De
Engenharia de Guaratimhiuet FEG UNESP. .................................................................... 33
Figura 4.1 Ciclo ORC simples, configurao e diagrama T-S. ............................................... 35
Figura 4.2. Simulao Ciclo Rankine Orgnico Aspen HYSYS v3.2. ................................ 36
Figura 4.3. Variao da eficincia em funo da presso de evaporao para 100C ............. 43
Figura 4.4 Variao da potncia total do ciclo em funo da presso de evaporao para
100C ........................................................................................................................................ 44
Figura 4.5. Comparao da vazo do fluido do trabalho e H na turbina para R134a ........... 45
Figura 4.6 Porcentagem de irreversibilidade em cada componente do ciclo ORC para maior
potncia a100C. ....................................................................................................................... 48
Figura 4.7 Porcentagem de irreversibilidade de cada componente do ciclo ORC para melhor
eficincia a100C. ..................................................................................................................... 50
Figura 4.8 Comparao de potncia e eficincia para energia geotrmica ............................. 51
Figura 4.9 Comparao das irreversibilidades para energia geotrmica ................................. 52
Figura 4.10. Variao da eficincia em funo da presso de evaporao para 150C ........... 53
Figura 4. 11. Variao da potncia total em funo da presso de evaporao para 150C ... 53
Figura 4.12 Porcentagem de irreversibilidade para cada componente do ciclo ORC para
maior potencia a150C .............................................................................................................. 55
Figura 4.13 Porcentagem de irreversibilidade para cada componente do ciclo ORC para
melhor eficincia a150C .......................................................................................................... 57
Figura 4.14 Comparao de potncia e eficincia para energia solar ..................................... 57
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xix
Figura 4.15 Comparao das irreversibilidades para energia solar ......................................... 58
Figura 4.16 Variao da eficincia em funo da presso de evaporao para 350C ............ 59
Figura 4.17. Variao da potncia total em funo da presso de evaporao para 350C .... 59
Figura 4.18 Comparao da vazo do fluido do trabalho e H na turbina para o ciclopentano.
.................................................................................................................................................. 60
Figura 4.19 Porcentagem de irreversibilidades para componente do ciclo ORC a 350C ...... 62
Figura 4.20 Potncia na turbina para as trs fontes renovveis estudadas .............................. 63
Figura 4.21 Eficincia trmica para as trs fontes renovveis estudadas. ............................... 63
Figura 4.22 Calor absorvido no evaporador para as trs fontes renovveis estudadas ........... 64
Figura 4.23 Irreversibilidades para as trs fontes renovveis estudadas ................................. 65
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Lista de Tabelas
Tabela 3.1 Evoluo da capacidade instalada de produo de eletricidade por pases. .......... 16
Tabela 3.2 Distribuio das centrais geotrmicas por tecnologias. ......................................... 20
Tabela 3.3 Potencial da energia geotrmica na Europa para diferentes faixas de temperatura
.................................................................................................................................................. 21
Tabela 3.4 Tipos de painis da planta solar de Tudela ............................................................ 24
Tabela 4.1 Propriedades dos fluidos orgnicos escolhidos para a energia geotrmica. .......... 41
Tabela 4.2 Propriedades dos fluidos orgnicos escolhidos para energia solar. ....................... 42
Tabela 4.3 Propriedades dos fluidos orgnicos escolhidos para biomassa. ............................. 43
Tabela 4.4 Caractersticas termodinmicas para maior potncia a 100C ............................... 46
Tabela 4.5 Irreversibilidades dos componentes para maior potncia a 100C ........................ 48
Tabela 4.6 Caractersticas termodinmicas para maior eficincia a 100C ............................. 49
Tabela 4.7 Trabalho e calor dos componentes para melhor eficincia a 100C ...................... 49
Tabela 4.8 Irreversibilidades dos componentes para melhor eficincia a 100C .................... 50
Tabela 4.9 Caractersticas termodinmicas do ciclo para maior potncia a 150C ................. 54
Tabela 4.10 Trabalho e calor dos componentes para maior potncia a 150C. ....................... 54
Tabela 4.11 Irreversibilidades dos componentes para maior potncia a 150C ...................... 54
Tabela 4.12 Caractersticas termodinmicas do ciclo para maior eficincia a 150C ............. 56
Tabela 4.13 Trabalho e calor dos componentes para maior eficincia a 150C ...................... 56
Tabela 4.14 Irreversibilidades dos componentes para maior eficincia a 150C .................... 56
Tabela 4.15 Caractersticas termodinmicas do ciclo para 350C ........................................... 61
Tabela 4.16 Potncias e calores obtidos para 350C. .............................................................. 61
Tabela 4.17 Irreversibilidades dos componentes para 350C .................................................. 61
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Lista de Smbolos:
Nomenclatura
A rea [m2]
Custos [US$]
E Energia eltrica produzida [kW]
f Fator de anuidade
h Entalpia
H Horas de operao das plantas de gerao de
eletricidade
[h/ano]
Ip Custo de investimento da planta. [US$/kW]
Irreversibilidade [kW]
k Perodo de amortizao [ano]
Vazo mssica
N Numero de trabalhadores
PCI Poder calorfico inferior do combustvel [kJ/kg K]
p Preo [US$/kWh]
P Presso [kgf/cm2]
q Calor transferido no evaporador
Q Taxa de calor transferido [kW]
r Taxa de juros [%]
RA Receita anual [US$]
s Entropia especifica
Sal Salrio mdio do pessoal que trabalha na
planta
[US$]
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xxii
T Temperatura [K]
Potncia [kW]
Smbolos gregos
Eficincia [%]
Eficincia de gerao de energia eltrica [%]
Eficincia da segunda lei da termodinmica [%]
Eficincia na cmara de combusto da
caldeira de biomassa
[%]
Subscrito
0 Ambiente
1 Ponto da entrada da turbina
2 Ponto da entrada do condensador
3 Ponto da entrada da bomba
4 Ponto da entrada do evaporador
b Bomba
bio Biomassa
cald Caldeira
cond Condensador
EL Energia eltrica produzida
evap Evaporador
fonte Componentes da energia renovvel
H Temperatura media da fonte de calor
L Temperatura media da fonte fria
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UNIFEI/IEM Trabalho Final de Graduao
xxiii
m Manuteno do sistema
o.s leo sinttico sada da caldeira
ol leo sinttico
t Turbina
th Trmica
TV Turbinas de vapor
V.E Venda de eletricidade
Combustvel
Operao
Abreviaturas e Siglas
ORC Ciclo Rankine Organico (Organic Rankine Cycle)
ppm Partculas por milho
CPS (Current policy scenario)
450 PS (450 policy scenario)
FV Fotovoltaica
Wp Potncia pico
CSP Concentrao de energia solar (Concentrated solar Power)
WHR Recuperao do calor residual (Waste Heat Recovery)
HDR Mtodo das pedras quentes e secas (Hot Dry Rocks)
ODP Potencial para destruio da camada de ozono
MM Octametiltetrasiloxano
TTD Diferencial de temperatura terminal (terminal temperature diferential)
Pp Pinch point
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UNIFEI/IEM Trabalho Final de Graduao
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SUMRIO
CAPTULO 1 INTRODUO ............................................................................................... 1
1.1 Objetivos ........................................................................................................................... 3
1.2 Desenvolvimentos do Trabalho ........................................................................................ 4
CAPTULO 2 - CICLO RANKINE ORGNICO ..................................................................... 5
2.1 Comparaes entre o ciclo ORC e o ciclo Rankine convencional ................................... 5
2.2 Descrio do Ciclo Rankine Orgnico (ORC) ................................................................. 6
2.2.1 Componentes do ciclo Rankine Orgnico .................................................................. 7
2.2.2 Diferentes tipos de ciclo ORC (estrutura do ciclo - configurao) .......................... 10
2.2.3 Funcionamento de um ciclo ORC ............................................................................ 11
2.3 Fluidos Orgnicos ........................................................................................................... 12
2.3.1 Caractersticas .......................................................................................................... 12
2.3.2 Seleo do fluido orgnico ....................................................................................... 13
CAPTULO 3 - APLICAES PARA ENERGIAS RENOVVEIS .................................... 14
3.1 Energia Geotrmica ........................................................................................................ 14
3.1.1 Aplicaes ................................................................................................................ 14
3.1.2 Vantagens e desvantagens da energia geotrmica .................................................... 20
3.1.3 Potencial da energia geotrmica ............................................................................... 21
3.2 Energia Solar .................................................................................................................. 22
3.2.1 Tecnologia fotovoltaica (FV) ................................................................................... 23
3.2.2 Energia termo solar .................................................................................................. 26
3.2.3 Vantagens e desvantagens da energia solar.............................................................. 29
3.3 Biomassa ......................................................................................................................... 29
3.3.1 Obteno da biomassa .............................................................................................. 30
3.3.2 Ciclo de cogerao ou CHP ..................................................................................... 31
3.3.3 Gaseificao ............................................................................................................. 32
CAPTULO 4 - ANLISE TERMODINMICA DO SISTEMA ........................................... 34
4.1 Anlise termodinmico ................................................................................................... 34
4.1.1 Anlises da primeira lei da termodinmica .............................................................. 36
4.1.2 Anlises da segunda lei da termodinmica .............................................................. 38
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UNIFEI/IEM Trabalho Final de Graduao
xxv
4.2 Caractersticas das fontes renovveis estudadas ............................................................. 41
4.2.1 Energia geotrmica ................................................................................................... 41
4.2.2 Energia solar ............................................................................................................. 42
4.2.3 Biomassa .................................................................................................................. 42
4.3 SIMULAES PARA ENERGIA GEOTRMICA ..................................................... 43
4.3.1 Geotrmica - maior potncia (R134a) ...................................................................... 45
4.3.2 Geotrmica - melhor eficincia, (n-pentano) ........................................................... 49
4.3.3 Comparao de resultados para os 2 casos anteriores: ............................................. 51
4.4 SIMULAES PARA ENERGIA SOLAR .................................................................. 52
4.4.1 Solar- maior potncia (R600) ................................................................................... 54
4.4.2 Solar - melhor eficincia (R600) .............................................................................. 55
4.5.3 Comparao de resultados para os 2 casos estudados: ............................................. 57
4.5 SIMULAES PARA BIOMASSA ............................................................................. 58
4.5.1 Maior potncia e melhor eficincia (ciclopentano) .................................................. 60
4.5.2 Clculo das irreversibilidades para biomassa........................................................... 61
4.6 Resultados ....................................................................................................................... 62
CAPTULO 5 PROPOSTA DE ANLISE ECONMICA ................................................. 66
5.1 Custos de investimento ................................................................................................... 66
5.1.1 Custo do ciclo ORC ................................................................................................. 67
5.1.2 Custos da Energia Geotrmica ................................................................................. 68
5.1.3 Custos da Energia Solar ........................................................................................... 69
5.1.4 Custos da Biomassa .................................................................................................. 69
5.2 Custo de eletricidade ...................................................................................................... 70
5.2.1 Custos de eletricidade para energia geotrmica e solar............................................ 70
5.2.2 Custos de eletricidade para biomassa ....................................................................... 71
5.3 Receita anual do processo............................................................................................... 71
CAPTULO 6 - CONCLUSES E SUGESTES PARA TRABALHOS FUTUROS ........... 72
REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ..................................................................................... 74
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UNIFEI/IEM
CAPTULO 1 INTRODUO
Desde o surgimento da Revoluo Industrial, a forma mais comum de obteno de
energia derivada do carvo e do petrleo. Estas fontes de energia so limitadas e cada vez
mais escassas. Se o consumo continuar a crescer como nos anos anteriores, em menos de 50
anos sero esgotadas (Quoilin e Lemort, 2009).
A Figura 1 mostra as projees de consumo de energia avaliadas pela Agncia
Internacional de Energia onde pode ser observado que a taxa de consumo continuar
crescendo e que os combustveis fsseis permanecero sendo a principal fonte de energia
primria. Se estas previses se confirmarem, o consumo mundial em 2025 ser superior em
30% atual.
Figura 1.1 Evoluo da provvel demanda de energia global dividida em diferentes
combustveis (Agncia Internacional de Energia, 2011).
(Nota: grfica expressa em unidades de energia chamada Mtoe (Million of tonne of oil equivalent,1 toe= 10
milhes de calorias )
*Outro, inclui biocombustveis, energia geotrmica, solar, elica, das mares, etc
Estas suposies so embasadas em duas situaes. A primeira representa os valores
de consumo que atingem as tendncias polticas atuais designado por CPS (Current Policy
Scenario), e a outra, indicada por PS 450 (450 Policy Scenario), baseado em polticas
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UNIFEI/IEM Trabalho Final de Graduao
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climticas para estabilizar a concentrao de gases de efeito estufa em 450 ppm de CO2-
equivalente considerando um quadro ps-2012. Esta ltima representa uma situao hipottica
que seria alcanada se forem satisfatrias as polticas ambientais desenvolvidas tais como as
assumidas no Protocolo de Kyoto, Conveno da cpula de Copenhague de 2009 e na poltica
de 20/20 proposta pela Unio Europeia, que visa alcanar em 20% a gerao de eletricidade
atravs de fontes primrias renovveis em todos os pases da Unio Europia at 2020.
Mesmo que a poltica PS 450 seja mais favorvel para o meio ambiente, o consumo de
recursos fsseis continuar a ser predominante (Agencia Internacional de Energia, 2011).
Todos os fatores j mencionados incentivaram a pesquisa e o desenvolvimento de
novas tecnologias energticas mais eficientes e menos agressivas para o meio ambiente.
Assim, nos ltimos anos, foram aperfeioadas muitas das tecnologias energticas utilizadas e
reduzidas s emisses de contaminantes ambientais. Porm, o que tem caracterizado este
perodo, o esforo em desenvolver tecnologias de aproveitamento das fontes renovveis
como alternativa aos combustveis fsseis, sendo uma das mais utilizada o Organic Rankine
Cycle (ORC), detalhada na presente reviso no captulo seguinte.
Como consequncia desse estmulo diferentes tecnologias renovveis tm sido
refinadas no intuito de reduzir assim seus custos de gerao para torn-las comercialmente
competitivas frente s tecnologias energticas tradicionais. Essa melhoria refletiu em um
rpido crescimento na utilizao global destas fontes como ilustrado na Figura 1.2.
No ano 2011 estimou-se que foram instaladas 208 GW de capacidade eltrica no
mundo das quais quase a metade foram fornecidas pelas energias renovveis (REN21, 2011).
Figura 1.2 Taxas mdias anuais de crescimento das energias renovveis e capacidade de
produo de biocombustveis globais, 2005-2010 (REN21, 2011).
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UNIFEI/IEM Trabalho Final de Graduao
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Em 2011 a capacidade de energia eltrica produzida por fontes renovveis foi de 1360
GW, equivalente a 20,3% da quantidade mundial produzida, sendo a maioria fornecida pela
energia hidreltrica. Quando no includa a energia hidroeltrica, as fontes renovveis
atingiram um total de 5 % do consumo total, como pode-se observar na Figura 1.3, porm a
utilizao deste tipo de energia ainda est em crescimento assim como os investimentos nesta
rea. No ano 2011 um total de $257 bilhes foram aplicados em energias renovveis (REN21,
2011).
Figura 1.3 Cota de energias renovveis na produo de eletricidade Global, 2011 (REN21,
2011).
1.1 Objetivos
Fazer uma reviso bibliogrfica do estado da arte de ciclos ORC com energias
renovveis. Realizar um estudo de viabilidade termodinmica dos ciclos ORC para diferentes
fontes de energias renovveis como, por exemplo, a energia geotrmica, energia solar e
biomassa. Ser realizada uma modelagem do ciclo termodinmico ORC com diferentes
fluidos orgnicos para obter os dados necessrios da potncia da turbina assim como o
rendimento do ciclo. Finalmente ser proposta uma anlise econmica para estimar os
principais custos envolvidos em cada ciclo ORC.
Objetivos especficos:
- Desenvolver a modelagem dos ciclos utilizando o Software Aspen HYSYS v3.2
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UNIFEI/IEM Trabalho Final de Graduao
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- Clculo dos principais parmetros termodinmicos dos ciclos ORC.
- Obteno do melhor fluido orgnico que atenda a maior potncia (ou maior eficincia) para
as diferentes temperaturas de trabalho.
1.2 Desenvolvimentos do Trabalho
No captulo dois comparado o ciclo Rankine Orgnico (ORC) com o ciclo Rankine
de vapor convencional que o ciclo mundial utilizado para a obteno de eletricidade com
combustveis fsseis. Sendo descrito o funcionamento do ciclo ORC, seus componentes e os
fluidos orgnicos que so os fluidos de trabalho neste ciclo.
No captulo trs so descritas as diferentes fontes renovveis usadas neste trabalho
para o funcionamento do ciclo ORC, como a energia geotrmica, energia solar e a biomassa,
suas temperaturas de funcionamento, aplicaes e vantagens.
No captulo quatro feita uma anlise termodinmica do ciclo ORC usando o Software
Aspen HYSYS v3.2 para isso realiza-se uma simulao do ciclo ORC com diferentes
fluidos orgnicos para cada fonte renovvel e assim obter qual fluido tem um melhor
desempenho.
No captulo cinco so apresentadas equaes para obter os custos dos componentes do
ciclo ORC assim como estimaes de investimento para o aproveitamento de cada fonte
renovvel estudada.
Finalmente no captulo seis apresentam-se as concluses deste trabalho assim como
sugestes para trabalhos futuros.
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UNIFEI/IEM Trabalho Final de Graduao
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CAPTULO 2 - CICLO RANKINE ORGNICO
Neste captulo sero tratados os temas relacionados com o ciclo Rankine orgnico.
Compara-se este ciclo com o ciclo Rankine convencional explicando as diferenas entre eles.
Descreve-se o funcionamento do ciclo ORC, seus principais componentes e os fluidos de
trabalho do ciclo (fluidos orgnicos).
2.1 Comparaes entre o ciclo ORC e o ciclo Rankine convencional
O ciclo Rankine convencional constitui o ciclo termodinmico ideal, que transforma o
calor em energia mecnica-eltrica Este ciclo utilizado nas centrais termoeltricas com
turbinas a vapor que atualmente geram o 90% da eletricidade mundial. O fluido principal de
trabalho neste ciclo a gua por apresentar, por enquanto, facilidade na sua obteno
(representa o fluido mais abundante na natureza) e no contamina. Na Figura 2.1 mostra-se a
comparao entre o rendimento do ciclo ORC e o Ciclo Rankine convencional, sendo o Ciclo
Rankine convencional a tecnologia capaz de produzir maior potncia.
Figura 2.1Comparao entre rendimentos do ORC e o ciclo Rankine convencional para
diferentes gamas de potncia (Spliethoff e Shuster, 2006).
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UNIFEI/IEM Trabalho Final de Graduao
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Pela utilizao da gua, o ciclo Rankine convencional apresenta vrias desvantagens:
risco de eroso das ps da turbina; necessidade de superaquecimento na entrada da turbina
para evitar a condensao durante a expanso, elevadas presses na caldeira, turbinas a vapor
complexas e de elevado custo devido ao tipo de material em comparao com as turbinas
ORC (Wali, 1980).
Alm dessas limitaes o ciclo Rankine convencional requer presso e temperatura
muito elevadas (o vapor de gua para entrar na turbina deve atingir temperaturas entre 400 -
600C e a presso pode chegar a valores entre 80 e 300 Bares), e para atingi-las so usados
combustveis fsseis como carvo, gs natural e leo diesel. Outras maneiras de obteno de
calor so as fontes renovveis (solar, biomassa, geotrmica, etc.) que podem proporcionar
temperaturas entre 70-400 C. Nestas temperaturas no favorvel utilizao da gua como
fluido de trabalho por que no ir atingir as condies termodinmicas mnimas para entrar na
turbina. Sendo assim, foram investigados outros fluidos de trabalho que poderiam ser
utilizados como substitutos da gua a baixas temperaturas (Carrara, 2010).
Os fluidos orgnicos se apresentaram como a melhor opo tecnolgica para a
obteno de energia eltrica a partir de fontes de calor de baixa temperatura, j que a maioria
deles apresenta uma temperatura de ebulio bem menor que a da gua. Como as
temperaturas e presses do ciclo ORC so menores do que para o ciclo de vapor
convencional, a turbina poderia ser mais simples e, portanto, o custo seria menor. Assim esta
tecnologia ao ser mais simples e compacta em comparao com o ciclo a vapor convencional,
pode atingir uma vida til mais longa (>20 anos) com mnima manuteno, podendo operar
de maneira automatizada (Bahaa, et al, 2007).
As fontes renovveis tambm so chamadas de fontes limpas porque no poluem
durante a gerao de eletricidade. Os combustveis fsseis so um dos problemas do
aquecimento global, chuva cida, contaminao das guas, das terras e outros problemas
ambientais. Esta outra razo por que importante desenvolver tecnologias para o
aproveitamento das energias renovveis.
2.2 Descrio do Ciclo Rankine Orgnico (ORC)
O Ciclo Rankine Orgnico (ORC) um processo de converso de energia trmica, de
baixa e mdia temperatura, em eletricidade cujas fontes mais usadas compreendem a energia
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solar, energia geotrmica e energia da biomassa. Pode ser utilizado igualmente para aproveitar
o calor residual (WHR) de algumas indstrias na produo de eletricidade de pequeno porte.
O ciclo ORC tem a mesma disposio e quase os mesmos componentes que o ciclo
Rankine a vapor convencional (evaporador, condensador, bomba e turbina), mas no precisam
de uma caldeira para a queima de combustvel fssil como no ciclo Rankine convencional,
por isso os custos de investimento e manuteno so menores. O calor latente de vaporizao
e a temperatura de ebulio dos fluidos de trabalho em um ciclo ORC so muito inferiores ao
da gua, permitindo a circulao de uma maior vazo do fluido no circuito, o que provoca um
melhor aproveitamento da fonte trmica (Larjola, 1995).
2.2.1 Componentes do ciclo Rankine Orgnico
O ciclo Rankine orgnico composto por quatro principais equipamentos: evaporador,
turbina, condensador e bomba, e por dois processos isentrpicos e dois processos isobricos.
No ciclo ideal, a bomba e a turbina so os componentes que trabalham no processo
isentrpico. O evaporador e o condensador trabalham sem perdas de carga e, portanto, sem
quedas de presso. Mas na realidade os processos na bomba e na turbina no so isentrpicos
e o condensador e o evaporador possuem perdas de carga. Isto faz com que o rendimento
trmico do ciclo seja menor devido ao aumento das Irreversibilidades. Na Figura 2.2 se
mostra o arranjo de um ciclo ORC (Tchanche et al, 2009).
A continuao descreve-se os principais componentes do ciclo ORC.
2.2.1.1 Evaporador
Trocador de calor entre o fluido orgnico aquecido e a fonte de calor. O projeto do
evaporador muito importante, pois deve ser bem dimensionado para que o calor que este
transferir ao fluido de trabalho seja apenas o necessrio para o bom funcionamento do ciclo.
O evaporador o responsvel pela maior gerao das irreversibilidades e aperfeioar este
equipamento fundamental para aumentar a eficincia do sistema. Com um s evaporador em
um ciclo ORC pode-se realizar as trs fases de evaporao: pr-aquecimento, vaporizao e
superaquecimento do fluido de trabalho (Quoilin et al, 2013).
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UNIFEI/IEM Trabalho Final de Graduao
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Figura 2.2 Arranjo de um ciclo ORC com recuperador e pr-aquecedor (Esdmenergy, 2012).
1-Recuperador 5-Bomba de alimentao 9- Entrada gua condensador
2-Condensador 6- Pr-Aquecedor 10- Entrada fluido da fonte de calor
3-Turbina 7- Evaporado 11- Sada fluido da fonte de calor
4-Gerador Eltrico 8- Sada gua condensador
2.2.1.2 Condensador
um trocador de calor que transforma o vapor que deixa a turbina em lquido
saturado. Tipicamente a gua o fluido utilizado no condensador para resfriar o fluido do
ciclo e depois rejeita-la a uma temperatura elevada podendo ser futuramente reaproveitada.
2.2.1.3 Bomba
Componente do sistema que comprime o fluido de trabalho que sai do condensador at
alcanar a presso necessria antes de ser adicionado ao evaporador. Este equipamento
precisa de trabalho mecnico para seu funcionamento. A seleo da bomba para ciclos ORC
de baixa temperatura de grande importncia, pois um pequeno aumento nas
irreversibilidades deste componente pode causar uma grande diminuio da eficincia do
ciclo (Quoilin et al, 2013).
2.2.1.4 Mquina de expanso (turbina):
Componente responsvel pela transformao de energia trmica em energia mecnica.
Dependendo das condies de operao do sistema, se escolhe uma mquina que atinja o
melhor potencial de operao. Existem dos tipos de mquinas de expanso para ciclos ORC; o
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tipo de deslocamento positivo e o tipo turbo. Para sistemas que vo fornecer baixa potncia
mais adequada a utilizao das turbinas de tipo deslocamento positivo, que se caracterizam
por apresentar menores vazes mssicas, ndices mais elevados de presso e velocidades de
rotao muito mais baixas que as de tipo turbo, estas ltimas so utilizadas em aplicaes de
maior potncia (Quoilin e Lemort, 2009).
Os tipos de mquina de deslocamento positivos mais conhecidos so as de pisto,
parafuso e scroll, mas ainda tm sido utilizadas para ORC como prottipos, enquanto as
turbomquinas (tipo turbo) para ORC so uma tecnologia mais desenvolvida. Na Figura 2.3
observam-se as faixas de potncia e funcionamento dos diferentes tipos de mquinas de
expanso para diferentes fontes de calor, como a energia geotrmica, energia solar e
aproveitamento de calor residual de algumas indstrias (WHR).
Figura 2.3 Relao de tipos de mquinas de expanso com potncia para diferentes fontes de
calor (Quoilin et al, 2013).
As maquinas de expanso de tipo turbo compreendem dois grandes grupos: turbina
axial e turbina radial. A turbina axial utilizada com fluidos de trabalho de elevado peso
molecular, para sistemas com elevada vazo e baixas diferenas de presses. A turbina radial
(Figura 2.4) trabalha para elevadas condies de presso e com baixa vazo do fluido de
trabalho e sua geometria permite uma maior queda da entalpia para cada etapa da turbina
(Quoilin et al, 2013).
A vazo do fluido na sada da turbina um dos parmetros mais importantes para o
dimensionamento da turbina e para estimar o custo do sistema. Por este motivo,
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ocasionalmente prefervel utilizar fluidos que possam trabalhar com baixas vazes devido a
razes econmicas (Fankam et al, 2009).
Figura 2.4 Desenho 3D e fotografia de uma turbina radial (Kang, 2012).
2.2.2 Diferentes tipos de ciclo ORC (estrutura do ciclo - configurao)
O ciclo ORC pode ter uma disposio simples (Figura 2.5) e muito parecida
disposio de um ciclo Rankine convencional. As variaes da arquitetura do ciclo so muito
limitadas e se devem a:
A utilizao de um reaquecedor antes da turbina no necessria, pois a relao do
custo para sua colocao e eficincia no se mostram rentveis, e tambm porque se
necessrio, o fluido de trabalho pode ser aquecido no evaporador, antes de ingressar na
turbina.
O sangramento da turbina geralmente no adequado para a gerao de eletricidade
com um ciclo ORC, porque a turbina do ciclo tem um nmero pequeno de estgios. Pode
proporcionar o uso de somente um estgio de expanso na maioria dos casos, ao invs de
vrios estgios de expanso requeridos pelas instalaes a vapor de gua onde pode ser
realizado o sangramento da turbina (Larjola, 1995).
Uma alternativa seria a instalao de um recuperador para o pr-aquecimento do
lquido antes do ingresso no evaporador. O recuperador instalado entre a sada da bomba e a
sada da turbina, como mostra a Figura 2.6. Isto permite reduzir a quantidade de calor
necessria para a vaporizao do fluido de trabalho (Quoilin et al, 2013).
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Figura 2.5 Ciclo ORC simples, esquema e diagrama T-S (Rayegan, 2011).
Figura 2.6 Ciclo ORC com recuperador, esquema e diagrama T-S (Rayegan, 2011).
2.2.3 Funcionamento de um ciclo ORC
O funcionamento do ciclo ORC similar ao ciclo Rankine convencional. O circuito
que realiza o fluido de trabalho em um ciclo ORC simples compreende: o fluido de trabalho
evaporado no evaporador com o calor obtido a partir da fonte renovvel (Figura 2.5, ponto 4-
1). O fluido realiza uma expanso dentro da turbina, (Figura 2.5, ponto 1- 2) que convertida
em trabalho mecnico por ao da turbina. Esse trabalho mecnico transformado em
eletricidade com um gerador acoplado turbina. Ao sair da turbina (Figura 2.5, ponto 2) o
fluido ingressa no condensador onde resfriado atravs da troca de calor com a gua de
resfriamento, at se obter lquido saturado (Figura 2.5, ponto 3). Uma vez em fase lquida o
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fluido de trabalho encaminhado para a bomba responsavl para elevar a presso do lquido
(Figura 2.5, ponto 3 -4) e enviado ao evaporador, onde o ciclo reiniciado (Tchanche et al,
2009).
No ciclo com recuperador de calor (Figura 2.6) a diferena com o ciclo simples que
o fluido de trabalho aps sair da bomba (figura 2.6 ponto 4) ingressa no recuperador, onde
aumenta de temperatura, e na sada do recuperador esse fluido ingressa no evaporador (Figura
2.6 ponto 10) dando continuidade ao ciclo simples.
2.3 Fluidos Orgnicos
2.3.1 Caractersticas
A escolha do fluido de trabalho est relacionada com as suas propriedades
termodinmicas, que por sua vez afetam o rendimento do ciclo, devem ser utilizados
preferencialmente os fluidos de alta eficincia e com baixa perda de exergia.
Os fluidos orgnicos podem ser classificados em trs categorias: fluidos secos,
isentrpicos e midos, dependendo se a variao da temperatura respeito entropia (dT/dS)
positiva, infinita ou negativa, a Figura 2.7, apresenta diagramas T-s dos fluidos em questo.
Figura 2.7 Curvas dos distintos fluidos orgnicos, a) fluido seco, b) fluido mido, c) fluido
isentrpico (Nishith et al, 2009).
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Os fluidos de trabalho mais apropriados para sistemas ORC so do tipo seco e
isentrpico, os quais durante a expanso da turbina sempre se localizaro na regio de vapor
superaquecido, eliminando dessa forma possveis problemas com as ps da turbina devido
presena de gotculas de lquido condensadas. Os fluidos midos como gua e a amnia,
devem ser superaquecidos antes da entrada na turbina para garantir que no estejam na fase
lquida e evitar problemas de funcionamento inapropriado da turbina (Nishith et al, 2009).
2.3.2 Seleo do fluido orgnico
Algumas das caractersticas relevantes do fluido que devem ser consideradas na sua
escolha so (Quoilin e Lemort, 2009):
1. Desempenho termodinmico: O rendimento e/ou potncia na turbina deve ser a maior
possvel para as temperaturas dadas da fonte quente e fonte fria. Isto geralmente
envolve o ponto crtico do fluido (tem que ser escolhido um fluido com um ponto
crtico adequado para as temperaturas de trabalho), calor latente (maior calor latente
proporciona maior eficincia de recuperao de calor).
2. Alta massa especfica de vapor: este parmetro fundamental, especialmente para os
fluidos com uma baixa presso de condensao (por exemplo, leos de siloxanos).
Baixa massa especfica conduz necessidade de uma turbina e de um condensador de
grandes dimenses.
3. Presses aceitveis: tal como acontece com a gua, elevadas presses levam
normalmente ao aumento dos custos de investimento e complexidade crescente. A
presso do vapor temperatura de condensao deve ser acima da presso atmosfrica
para prevenir a entrada de ar no sistema.
4. Estabilidade a elevadas temperaturas: os fluidos orgnicos geralmente sofrem
degradao qumica e decomposio a altas temperaturas, ao contrrio do que
acontece com a gua. A temperatura mxima da fonte de calor a que vai ser usada ,
portanto limitada pela estabilidade qumica do fluido de trabalho.
5. O ponto de congelamento deve ser inferior temperatura ambiente.
6. Baixo impacto ambiental e alto nvel de segurana: Levar em considerao o potencial
de destruio da camada de oznio, o potencial do efeito de estufa, a toxicidade e a
inflamabilidade.
7. Disponibilidade e baixo custo.
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CAPTULO 3 - APLICAES PARA ENERGIAS RENOVVEIS
Neste captulo se apresentam as trs energias renovveis que vo ser utilizadas na
anlise termodinmica. Estas energias so a geotrmica, solar e biomassa. Descreve-se o
aproveitamento de cada uma delas assim como suas vantagens e potencial.
3.1 Energia Geotrmica
Pode ser encontrada em qualquer lugar do planeta, contudo, as fontes de alta
temperatura necessrias para fazer funcionar as estaes de produo de energia encontram-se
em poucos locais.
No subsolo terrestre a temperatura aumenta em mdia na ordem dos 25 C/km, sendo a
maior temperatura localizada no ncleo da terra (4000 C). A temperatura da lava vulcnica
aproxima-se a valores de 1200 C e a das guas termais em reservatrios no subsolo podem
atingir os 350 C. O calor das camadas mais profundas transportado atravs de rochas para
camadas superficiais da Terra. Se a temperatura do subsolo exceder 150 C a no muita
profundidade podem ser construdas centrais termoeltricas, e se a temperatura est entre 100
e 150 C podem ser operadas centrais de ciclo binrio com fluido orgnico (Liptk, 2009).
3.1.1 Aplicaes
A energia geotrmica pode ser aproveitada para aplicaes diretas ou para a gerao
de eletricidade
a. Aplicaes diretas:
A abundncia de fluidos hidrotermais de meia e baixa temperatura (abaixo dos 150 C)
permite que estes possam ser usados como fontes para fins de aquecimento do ambiente ou da
gua em processos industriais assim como na agricultura. Atualmente estima-se uma
capacidade trmica instalada em todo o mundo da ordem dos 28000 MW (Fridleifsson et al,
2008).
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Na Figura 3.1 mostra-se o funcionamento de aquecimento do espao interno em uma
residncia. Pelos poos geotrmicos circula um fluido que aquecido pela fonte geotrmica,
depois este fluido levado a um acumulador pela ao de uma bomba. Este calor utilizado
para aquecer uma residncia.
Figura 3.1 Aquecimento do ambiento com energia geotrmica (MBQ Group, 2012).
b. Gerao de eletricidade:
Como os recursos geotrmicos so relativamente constantes, isto , no sofrem
flutuaes sazonais ou dirias, podem ser usados como base para produo de energia. Na
Figura 3.2 mostra-se a capacidade instalada de produo de eletricidade a partir de energia
geotrmica em diferentes pases no ano 2010, e na Tabela 1.1, a evoluo que a produo de
eletricidade obteve ao longo dos anos. Mostrando que os Estados Unidos e Filipinas so os
pases que mais eletricidade produz mediante a utilizao da energia geotrmica e que na
Amrica do Sul no existe centrais geotrmicas para a produo de eletricidade ainda.
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Figura 3.2 Capacidade instalada de produo de eletricidade a partir das fontes geotrmicas
em 2010 na Terra (Bertani, 2012).
Tabela 3.1 Evoluo da capacidade instalada de produo de eletricidade por pases.
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Existem vrios processos de converso dos recursos geotrmicos em energia para
gerao de eletricidade, os denominados sistemas tradicionais; vapor seco e vapor flash,
utilizados em energia geotrmica de alta temperatura (T>150C). Outro processo so as
centrais de ciclo combinado. A Figura 3.3 mostra o esquema de funcionamento deles
(Agencia internacional de Energia, 2011).
As centrais de vapor seco so usadas para produzir energia a partir de reservatrios
de vapor, devendo ser construdas em locais onde as principais caractersticas seja a presena
de jatos de vapor. O poo de produo captura o vapor pressurizado que emana do solo, antes
limpado para remover possveis resduos slidos, e injetado diretamente na turbina de vapor.
J as centrais vapor flash so utilizadas para produo de energia a partir de
reservatrios de guas subterrneas altas presses e suficientemente quente (tipicamente
acima dos 200C). A gua extrada dos reservatrios pela ao de uma bomba e conduzida a
um tanque onde feita uma diminuio sbita da presso, obtendo-se vapor de gua, ou
flash. Este vapor ingressa na turbina para produzir eletricidade e depois da expanso na
turbina a gua injetada novamente para os reservatrios.
Figura 3.3 Esquema de funcionamento das diferentes centrais geotrmicas (Energiandina,
2013).
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Os ciclos binrios, que trabalham com um ciclo ORC, so apropriados para funcionar
com reservatrios de lquido que no so suficientemente quentes para funcionar em centrais
vapor flash e funcionam como uma fonte geotrmica de temperaturas mdias
(100C
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Figura 3.5 Central Granja Empire de ciclo binrio (3,6MW)(Estados Unidos) (Orche, 2010).
Outro exemplo para a obteno de energia geotrmica atravs da utilizao de rochas
quentes e secas (Hot Dry Rocks - HDR). O funcionamento deste sistema consiste em perfurar
o solo at uma camada de rochas de alta temperatura, que so quebradas. Pelas fissuras feitas
nestas rochas se injeta gua que vai se infiltrando pelas rachaduras at que evapore; este vapor
coletado pelo poo de produo e usado para gerao de eletricidade. Este sistema ainda
est sendo desenvolvido por alguns pases da Europa, por enquanto economicamente
invivel (Ab et al 1999).
Figura 3.6 Esquema de uma planta geotrmica (Universohumano, 2013).
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Na Tabela 3.2 pode-se observar que apesar das centrais de ciclo binrio no
fornecerem muita potncia so as que mais tm sido construdas, devido o seu baixo custo de
investimento comparado com as outras tecnologias (Orche, 1010).
Tabela 3.2 Distribuio das centrais geotrmicas por tecnologias (Orche, 2010).
3.1.2 Vantagens e desvantagens da energia geotrmica
Vantagens
uma fonte de energia local, podendo ser explorada no prprio lugar em quaisquer
condies atmosfricas, ao contrrio de outras fontes renovveis (elica e solar), evitando o
uso de combustveis fsseis. No necessita de armazenamento e transporte logstico do
combustvel para seu funcionamento. Os custos na produo de energia utilizando fontes
geotrmicas so menores que para usinas de carvo ou nucleares. A energia geotrmica mais
abundante que o petrleo e que os outros combustveis fsseis.
As emisses de uma instalao geotrmica moderna so em mdia de 135 g/kWh de
CO2 e assim inferiores aos valores das emisses das instalaes a gs natural e carvo, de 450
e 1050 g/kWh respectivamente (Ungemach, 2002).
Em alguns pases a utilizao da energia geotrmica evitaria depender energeticamente
de outros pases.
Desvantagens
Embora seja muito mais abundante do que o petrleo e outros combustveis, os "hot
spots" (pontos quentes de aproveitamento de energia geotrmica) no so muitos e incapazes
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de justificar um investimento em usinas de energia. Se os hot spots no for bem
administrada pode ser esgotado rapidamente. O custo ambiental pode ser elevado se nas reas
aonde se encontram os hot spots foram destrudas florestas e outros ecossistemas para
instalao destas usinas. Outro inconveniente que os sistemas at agora no foram
desenvolvidos para distribuir a energia produzida por este meio (Barbier, 2002).
3.1.3 Potencial da energia geotrmica
A obteno de eletricidade a partir da energia geotrmica est em grande crescimento.
Na Europa, o potencial para fontes de baixa temperatura elevado (Tabela 1.3), esta faixa de
temperatura de 65 C at 120 C. O maior potencial para a obteno de eletricidade para
altas temperaturas, mas para chegar s camadas do subsolo onde se encontram estas
temperaturas pode significar um grande investimento inicial (Quoilin, et al, 2013).
Tabela 3.3 Potencial da energia geotrmica na Europa para diferentes faixas de temperatura
(Quoilin et al, 2013).
Temperatura MWTh MWe
65 90 147736 10642
90 120 75421 7503
120 150 22819 1268
150 225 42703 4745
225 350 66897 11150
No Brasil foram realizados estudos geolgicos para determinar possveis fontes de
calor que mostraram que na Bacia do Paran e So Francisco (Figura 3.7) existe um nmero
significativo de fontes geotrmicas de baixas temperaturas de at 100C (Hamza et al, 2010).
A maior parte do potencial de energia geotrmica focada em fontes de baixas
temperaturas, onde os ciclos ORC so a melhor opo para gerao de eletricidade. Na
Europa e no Brasil, ainda necessrio o aperfeioamento dos ciclos para a obteno de
eletricidade a partir dessas fontes.
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Figura 3.7. Possveis fontes geotrmicas no Brasil
3.2 Energia Solar
A luz solar fornece energia trmica sob a forma de radiao na Terra. Este fluxo solar,
chamado irradiao, na superfcie terrestre tem um valor aproximadamente de 750 W/m2
(Gang e Jing, 2010). Apesar da grande quantidade de energia solar disponvel, a eletricidade
no mundo gerado a partir do recurso solar uma frao bem pequena do consumo de energia
total. A distribuio de energia solar na Terra pode ser visualizada na Figura 3.8.
Figura 3.8 Distribuio da irradiao solar na Terra (EZ2C, 2010)
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Os crculos pretos mostram as reas de insolao que podem prover mais do que a
demanda total de energia primria do mundo (assumindo uma eficincia de converso de 8%).
Por energia primria entenda-se como toda a energia consumida, incluindo, calorfica,
eletricidade, combustveis fsseis, etc. Todas estas energias podem ser produzidas na forma
de eletricidade atravs de clulas solares. As cores mostram uma mdia de trs anos de
irradincia solar, incluindo noites e cobertura de nuvens (EZ2C, 2010).
Para a converso desta energia em eletricidade existem duas rotas tecnolgicas:
Energia Solar fotovoltaica e Energia Solar Trmica.
3.2.1 Tecnologia fotovoltaica (FV)
Envolve o uso de semicondutores para gerar eletricidade atravs do efeito fotoeltrico.
Os painis fotovoltaicos esto constitudos de clulas fotovoltaicas de silcio, fosforo, etc,
classificadas em funo da estrutura cristalina do semicondutor em monocristalino,
policristalino ou amorfo (Barlev et al, 2011). As clulas de silcio monocristalinas so as mais
usadas comercialmente, apresentam os maiores custos e as eficincias mais elevadas, 14-20%;
as policristalinas tm uma eficincia entre 12-17% e as clulas manufaturadas de silcio
amorfo atingem menos de 10%, porm so as que apresentam custos menores (Quaschning,
2004). Os detalhes das diferentes tecnologias podem ser observados nas Figuras 3.9, 3.10
aonde se apresentam os tipos de painis da Planta Solar Fotovoltaica de 1,2 MW de Tudela,
Espanha.
Figura 3.9. Painel de Silcio policristalino (a) e Silcio monocristalino (b)
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Figura 3.10 Painel de Silcio amorfo
Para saber a eletricidade que pode gerar um painel fotovoltaico, utiliza-se o parmetro
de potncia pico (Wp), que a sada eltrica mxima sob condies padronizadas:
temperatura ambiente de 25 e 1000 W/m2 de irradiao (REN21, 2012).
Apresenta-sena Tabela 1.4 os diferentes painis desta planta solar. Os painis de
Silcio amorfo mostram sempre menor potncia pico que os painis de Silcio monocristalino
e policristalino. Os painis monocristalinos e policristalinos podem gerar a mesma potncia
pico por que s vezes possuem a mesma eficincia, mas na maioria dos casos os painis
monocristalinos possuem maior potncia pico.
Tabela 3.4 Tipos de painis da planta solar de Tudela
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Para o melhor aproveitamento desta tecnologia devem estar presentes fatores como a
temperatura e o posicionamento dos painis solares especficos. Elevados valores de
temperatura da clula reduzem a tenso e aumentam proporcionalmente a corrente eltrica,
diminuindo assim, a potncia gerada pelo sistema. O posicionamento tambm tem uma
importncia elevada, j que a eficincia da energia solar coletada pelos painis fotovoltaicos
depender que este esteja em correto funcionamento. O coletor deve estar inclinado para o
lado oposto ao hemisfrio onde ele se encontra, e o ngulo de elevao estabelecido em
funo da latitude de sua localizao (Rayegan, 2011).
A gerao de eletricidade pela tecnologia FV em corrente contnua e para ser
utilizada pelos componentes eletrnicos necessrio um inversor para transform-la em
corrente alternada. Estes sistemas tambm precisam de uma bateria, para acumular a energia
gerada pelos painis. A disposio deste sistema se visualiza na Figura 3.11.
Figura 3.11 Disposio de um sistema FV (Fundeca, 2013).
Os custos deste sistema incluem o inversor, sistema de armazenamento e sistema de
controle dos painis solares (Figura 3.12). Os preos destes ltimos tm decrescido nos
ltimos anos, atingindo um valor de 0,74 $/Wp em 2013 (REN21, 2012).
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Figura 3.12 Preo das clulas fotovoltaicas de silcio cristalino (em $/Wp) (REN21, 2012).
3.2.2 Energia termo solar
Consiste em uma tecnologia de concentrao de energia solar (CSP) que utiliza
captadores solares trmicos para concentrar a irradiao do sol em um coletor solar que pode
ser linear ou pontual, por onde circula o fluido que aquecido. Os captadores mais utilizados
so; os concentradores parablicos, os concentradores lineais, os sistemas de recepo central
(torre), e os discos parablicos (Figura 3.13).
Os sistemas de recepo central e os discos parablicos so sistemas que atingem um
fator de concentrao e temperaturas muito maiores que os concentradores lineais ou
parablicos, por isso podem ser usados com um ciclo de vapor convencional.
Para concentradores lineais e parablicos as temperaturas atingidas so menores, entre
100-300C, podendo classificar estes sistemas como ciclos de baixa ou mdia temperatura,
sendo mais bem aproveitados trabalhando com ciclos ORC. O funcionamento desta
tecnologia ocorre da seguinte forma: primeiramente preciso capturar e concentrar a luz
solar, ou energia solar trmica, empregando diferentes lentes ou espelhos (painis), que
concentram a luz em uma pequena rea. Se os captadores so concentradores parablicos ou
lineais, a energia concentrada em um duto por onde circula o fluido que ir ser aquecido. O
fluido pode alcanar temperaturas de 150 C, e ser levado ao evaporador onde cede calor ao
fluido orgnico de trabalho do ciclo ORC.
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Figura 3.13 Configuraes de plantas solar trmicas (IDAE,2011)
Uma vez o fluido orgnico em estado gasoso, ele levado uma mquina de
expanso, que far a converso da energia trmica em mecnica e esta se converte em energia
eltrica atravs de um gerador (Wu, 2007). Neste circuito distinguiram-se trs grandes
componentes: as mquinas que capturam e concentram a luz solar, o circuito ORC e o gerador
da eletricidade (Figura 3.14) (Gang et al, 2010).
Esses sistemas so utilizados geralmente para gerar pequenas potncias eltricas entre
1-10 kWe e so de pequena escala. Podem ser utilizados em lugares isolados de pases em
desenvolvimento.
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Figura 3.14 Esquema de um ciclo ORC para uma fonte solar
Na Figura 3.15 pode ser identificado um sistema de 1 kW com concentradores
parablicos e ciclo ORC, instalado em Lesotho, no sul da frica. Esta configurao foi feita
para substituir o gerador a Diesel. O custo da potncia do sistema com concentradores
parablicos (~0.12$/kWh) menor que do Diesel (~0.30$/kWh) (Quoilin et al, 2008).
Figura 3.15 Sistema solar com ciclo ORC em Lesotho, sul da frica(1 kW).
O rendimento total desta tecnologia depende do rendimento dos coletores e do ciclo
ORC. O rendimento dos coletores depende da temperatura atingida por estes; quanto maior a
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temperatura do coletor, menor o rendimento do mesmo, pois ocorrem perdas de calor com o
ambiente. Deve ser levado em considerao, que com temperaturas elevadas do coletor
aumentam o rendimento da mquina trmica (Figura 3.16). O rendimento total geralmente
atinge valores entre 7 9 % (Gang et al, 2010).
Figura 3.16 Relao entre a eficincia do coletor e do ORC (Quoilin e Lemort, 2009).
3.2.3 Vantagens e desvantagens da energia solar
Vantagens:
A energia solar no polui durante o seu uso. As centrais necessitam de manuteno
mnima. Os painis solares so cada dia mais eficientes, ao mesmo tempo em que o custo vai
diminuindo. A energia solar excelente em lugares remotos ou de difcil acesso.
Desvantagens:
Durante a noite no existe produo. Locais em latitudes mdias e altas sofrem quedas
bruscas de produo durante os meses de inverno. As formas de armazenamento da energia
solar so pouco eficientes quando comparadas, por exemplo, aos combustveis fsseis.
3.3 Biomassa
A biomassa um recurso de energia renovvel perfeitamente adaptado produo
combinada de energia sob a forma de calor e eletricidade (cogerao ou CHP (Combined Heat
and Power)) em pequena escala. Esta uma importante forma de gerar energia de forma
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descentralizada, que por razes inerentes baixa densidade do recurso, impossibilita o
transporte a grandes distncias. Em tais instalaes o ciclo de Rankine convencional deixa de
ser economicamente exequvel, o que faz do ciclo de Rankine orgnico a soluo ideal para
estes sistemas. Outra opo de obter eletricidade a partir de biomassa a gasificao de
biomassa de grande e pequeno porte (McKendry, 2001).
3.3.1 Obteno da biomassa
A biomassa pode ser obtida a partir de uma extensa variedade de fontes como de
processos industriais (indstria madeireira), resduos agrcolas, resduos urbanos, etc, e
existem tambm culturas dedicadas cultivos energticos de diferentes vegetais visando sua
transformao em energia (eucalipto). Para conseguir eletricidade a partir destes produtos
primeiramente deve ser realizado um processo de converso termoqumico que pode ser uma
simples combusto para obteno de energia trmica, at processos fsico-qumicos e
bioqumicos mais complexos para a obteno de combustveis lquidos e gasosos (Figura
3.17) (Ministrio de Minas e Energia, Secretaria de Planejamento e Desenvolvimento
Energtico, 2007-2008).
Figura 3.17 Diagrama dos processos de converso energtica da biomassa (ANEEL, 2002 ).
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3.3.2 Ciclo de cogerao ou CHP
O processo de combusto fornece energia trmica que utilizada para gerar
eletricidade com o ciclo termodinmico ORC (Figura 3.18).
De forma esquemtica, no ORC existem dois ciclos, o ciclo do fluido aquecido, neste
caso, pela combusto da biomassa na caldeira, e o ciclo do fluido de trabalho. O calor gerado
na caldeira absorvido por um leo sinttico intermedirio, tipicamente a 300C, que
enviado ao evaporador, onde o calor trocado com fluido de trabalho, aquecendo-o e
evaporando-o. Uma vez evaporado, expandido na turbina produzindo um trabalho mecnico
que transformado em eletricidade atravs do acoplamento a um gerador. O vapor do fluido
entra posteriormente em um regenerador e em um condensador. Uma vez em fase lquida, o
fluido de trabalho bombeado para ingressar no regenerador, ganhando temperatura e
finalmente entra no evaporador para comear o ciclo novamente. Por outro lado, os gases
quentes da fornalha podem ser usados para pr-aquecer o ar de combusto e para gerar mais
potncia trmica no processo (Carrara, 2010).
Figura 3.18 Esquema do ciclo ORC para uma fonte de biomassa (Obernberger et al ,2002).
A produo de eletricidade em processos que trabalham com biomassa e com ciclos
ORC tem uma faixa de potncia de 300 kW a 2MWe, e so considerados de pequena escala,
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tendo aproximadamente 18% da produo de calor transformada em eletricidade (eficincia
eltrica de 18%).
O condensador aproveita 70% do calor gerado pela combusto de biomassa para
resfriar com gua o fluido orgnico que ingressa a uma temperatura aproximada de 90 C.
Esta gua aquecida pode ser utilizada para outros processos, como por exemplo, processos
industriais (secagem da madeira) ou calefao em edifcios (District Heating), o que faz com
que a eficincia global
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