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SIMULAÇÃO DE ALTERNATIVA DE PLANTA HÍBRIDA HELIOTÉRMICA
BASEADA EM TORRES SOLARES COM USO DE BIOGÁS
Anna Luiza Fernandes Tepedino
Projeto de Graduação apresentado ao Curso de
Engenharia Mecânica da Escola Politécnica,
Universidade Federal do Rio de Janeiro, como
parte dos requisitos necessários à obtenção do
título de Engenheira.
Orientador: Alexandre Salem Szklo
Rio de Janeiro
Setembro de 2019
ii
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
DEM/POLITÉCNICA/UFRJ
SIMULAÇÃO DE ALTERNATIVA DE PLANTA HÍBRIDA HELIOTÉRMICA
BASEADA EM TORRES SOLARES COM USO DE BIOGÁS
Anna Luiza Fernandes Tepedino
PROJETO FINAL SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE
ENGENHARIA MECÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE
FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS
NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRA MECÂNICA.
Aprovado por:
________________________________________________
Prof. Alexandre Salem Szklo, D.Sc (Orientador)
________________________________________________
Prof. David Alves Castelo Branco, D.Sc
________________________________________________
MSc Rodrigo Fonseca Araujo Milani Tavares.
Rio de Janeiro
SETEMBRO DE 2019
iii
Tepedino, Anna Luiza Fernandes
Simulação de alternativa de planta híbrida
heliotérmica baseada em torres solares com uso de biogás/
Anna Luiza Fernandes Tepedino. – Rio de Janeiro: UFRJ/
Escola Politécnica, 2019.
LXXV, 75 p.: il.; 29,7 cm.
Orientador: Prof. Alexandre Szklo
Projeto de Graduação – UFRJ/Escola
Politécnica/Curso de Engenharia Mecânica, 2019.
Referências Bibliográficas: p. 60-64.
1. Energia Solar. 2. Concentração Solar. 3. Biogás.
4. Hibridização. 5. SAM. I. Szklo, Alexandre, et al. II.
Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola
Politécnica, Curso de Engenharia Mecânica. III. Título
iv
AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente aos meus pais, sem todo o amor e dedicação deles, não chegaria
até aqui. Aos meus irmãos, pelo carinho, apoio, companheirismo e, principalmente, pela
torcida para que tudo ocorresse da melhor forma possível no decorrer dessa jornada. À
família Junqueira que sempre me apoiou e teve um papel importantíssimo em minha
formação. Aos meus amigos, que me apoiaram não só nos meus momentos mais difíceis,
como também compartilharam comigo os de maior alegria.
Um agradecimento especial ao meu professor orientador Alexandre Salem Szklo, que
esteve disponível a ajudar desde o primeiro momento, e que sempre foi solícito nos
conselhos, com calma e bastante conhecimento. Agradeço ao professor David Alves
Castelo Branco e ao Rodrigo Milani por aceitarem o convite para fazer parte da banca.
Por fim, agradeço à Escola Politécnica da UFRJ pela oportunidade de aprendizado e
crescimento pessoal.
Muito obrigada,
Anna Luiza Fernandes Tepedino
v
Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/UFRJ como parte dos
requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Mecânico.
SIMULAÇÃO DE ALTERNATIVA DE PLANTA DE CONCENTRAÇÃO SOLAR
HÍBRIDA BASEADA EM TORRES SOLARES COM USO DE BIOGÁS
Anna Luiza Fernandes Tepedino
Setembro/2019
Orientador: Alexandre Salem Szklo
Curso: Engenharia Mecânica
Inspirado pelas propostas inovadoras de planta de concentração solar híbrida da AORA e
da VastSolar, este trabalho propõe e simula uma alternativa de hibridização para plantas
baseadas em Torres solares (CSP) com termoacumulação de pequena capacidade e
geração de backup com biogás. A partir de simulações associadas ao projeto ótico da
Torre solar e do balanço de energia da máquina térmica, é analisada a geração de energia
elétrica, em base anual e em base horária, a capacidade de armazenamento térmico em
horas, o tempo de operação da planta de biogás como backup da planta CSP e a
quantidade de matéria orgânica necessária para operar a planta híbrida idealmente 16
horas por dia. O caso de estudo foi desenvolvido em Bom Jesus da Lapa, no semiárido
brasileiro. As simulações indicam que a inovação proposta é viável em termos técnicos.
O sistema híbrido pode ser interessante no contexto do semiárido brasileiro.
Palavras-chave: Energia Solar, Concentração Solar, Biogás, Biodigestor Hibridização,
SAM.
vi
Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of the
requirements for the degree of Mechanical Engineer.
ALTERNATIVE SIMULATION OF A HYBRID CONCENTRATED SOLAR
POWER PLANT BASED ON BIOGAS AND SOLAR TOWERS
Anna Luiza Fernandes Tepedino
September/2019
Advisor: Alexandre Salem Szklo
Course: Mechanical Engineering
Inspired by the innovative hybrid solar plants, AORA and VastSolar, the present project
aims to provide and simulate a hybrid alternative for energy plants based on the
concentrated solar power (CSP) tower using low capacity of thermal energy storage and
biogas backup generation. By simulating the optical design of the solar tower and
calculating the energy balance from the thermal cycle, it is analyzed the power generation
taking into consideration the yearly and daily operations aspects, the thermal storage
capacity in hours, the operation time of the biogas plant as backup for the CSP, and, the
amount of organic matter necessary to run the hybrid plant for 16 hours a day in total.
The data study was based on Bom Jesus da Lapa location, Brazilian semiarid. The hybrid
system might be interesting considering the Brazilian semiarid.
Keywords: Solar Energy, Concentrating Solar Power, Biogas, Digester, Hybridization,
SAM.
vii
Sumário
1 Introdução ................................................................................................................ 1
2 Descrição da Proposta Tecnológica do Estudo ..................................................... 4
2.1 Recurso Solar ..................................................................................................... 4
2.1.1 Recurso Solar Brasileiro................................................................................. 6
2.2 Aproveitamento Energético do Biogás .............................................................. 9
2.2.1 Características do biogás .............................................................................. 10
2.2.2 Recuperação Energética a partir de Resíduos .............................................. 12
2.2.3 Tecnologia de aproveitamento de Resíduos Orgânicos ............................... 13
2.2.4 Utilização do Biogás .................................................................................... 16
2.3 Tecnologia Heliotérmica .................................................................................. 18
2.3.1 Campo Solar ................................................................................................. 19
2.3.2 Armazenamento Térmico ............................................................................. 23
2.3.3 Ciclo de Potência .......................................................................................... 25
3 Metodologia de Avaliação da Planta Proposta ................................................... 27
3.1 Ferramentas de Simulação ............................................................................... 27
3.1.1 System Advisor Model .................................................................................. 27
3.1.2 Solar Pilot .................................................................................................... 27
3.2 Critério de seleção da localidade ..................................................................... 28
3.3 Definição do sistema de geração de potência .................................................. 30
3.3.1 Seleção do modelo da planta ........................................................................ 30
3.3.1.1 Inspiração - Planta AORA ........................................................................ 30
3.3.1.2 Inspiração - Planta Vast ............................................................................ 31
3.3.2 Seleção do tamanho da planta deste estudo ................................................. 33
3.3.3 Bloco de geração de energia: Hibridização CSP e Biogás ........................... 34
3.4 Critério de Produção de Biogás ....................................................................... 36
viii
4 Estudo de Caso ...................................................................................................... 38
4.1 Energia Heliotérmica ....................................................................................... 38
4.1.1 Escolha da Localidade .................................................................................. 39
4.1.2 Projeto do Sistema ........................................................................................ 40
4.1.3 Heliostat Field (campo solar) ....................................................................... 44
4.1.4 Torre e Receptor ........................................................................................... 47
4.1.5 Ciclo de Potência .......................................................................................... 48
4.1.6 Termoacumulação ........................................................................................ 49
4.2 Energia gerada pelo Biogás ............................................................................. 50
4.3 Resultados ........................................................................................................ 54
5 Conclusão ............................................................................................................... 58
6 Referências Bibliográficas .................................................................................... 60
ix
Lista de Figuras
Página
Figura 1 - Participação de novas fontes de energia renovável (NHRES) na
capacidade instalada para geração elétrica
2
Figura 2 - Movimento anual da terra em torno do sol, considerando as
estações do hemisfério norte
5
Figura 3 - Relação Sol & Terra 6
Figura 4 - Radiação solar global diária no Brasil, média annual 7
Figura 5 - DNI Brasil 8
Figura 6 - Relação entre poder calorífico do biogás e a porcentagem em
volume do metano
12
Figura 7 - Modelos de biodigestores utilizados em comunidades rurais. 14
Figura 8 - Fases da produção do biogás 15
Figura 9 - Blocos principais de uma planta solar 19
Figura 10 - Classificação dos tipos de tecnologia CSP 20
Figura 11 - Bloco de geração de energia da planta CSP 21
Figura 12 - Efeito cosseno na reflexão do heliostatos 22
Figura 13 - Esquema de planta solar com termo acumulação e backup 24
Figura 14 - Ciclo Rankine ideal 25
Figura 15 - Diagrama T-s do ciclo Rankine 25
Figura 16 - Planta CSP da AORA 30
Figura 17 - Planta CSP da VAST 32
Figura 18 - Ciclo de potência da Planta CSP com backup de Biogás. 34
Figura 19 - Características das Turbinas Siemens utilizadas em plantas CSP 35
Figura 20 - Opções de tecnologia do SAM 38
x
Figura 21 - Escolha da Localidade no SAM 40
Figura 22 - Design do sistema no SAM 41
Figura 23 - Estatísticas Mensais para Radiação Normal Direta 42
Figura 24 - Campo de Heliostatos projetado no SolarPilot 45
Figura 25 - Campo de Heliostatos no SAM 46
Figura 26 - Torre e Receptor no SAM 47
Figura 27 - Bloco de Potência no SAM 48
Figura 28 - Armazenamento Térmico no SAM 49
Figura 29 - Ciclo de potência da Planta CSP com backup de Biogás 50
Figura 30 - Energia produzida pelo ciclo de potência ao longo do ano 55
Figura 31 - Energia produzida diariamente, em cada mês do ano 56
xi
Lista de Tabelas
Página
Tabela 1 - Fontes de resíduos para produção de biogás 10
Tabela 2 - Características e composição típicas do biogás 11
Tabela 3 - Equivalência energética de 1 m³ de biogás a 65% de metano 13
Tabela 4 - Tabela com as quatro principais tecnologias CSP 20
Tabela 5 - Dados climatológicos das localidades com dados
georreferenciados
28
Tabela 6 - Taxa de resíduos e biogás produzidos pela agropecuária bovina. 37
Tabela 7 - Dados climatológicos de Bom Jesus da Lapa 39
Tabela 8 - Resultados da Planta Solar 54
xii
Lista de Siglas
ASME Sociedade Norte-americana de Engenheiros Mecânicos (American Society of
Mechanical Engineers)
CSP Energia solar térmica concentrada (Concentrated solar power)
DNI Radiação Normal Direta (Direct Normal Irradiation)
GWh Gigawatt.hora
hl Entalpia líquido saturado
hv Entalpia vapor saturado
HTF Fluido de Transferência de Calor (Heat Transfer Fluid)
IEA International Energy Agency
kg kilograma
kJ kilojoule
kW kilowatt
kWe kilowatt elétrico
kWh kilowatt.hora
LCOE Custo nivelado de energia (Levelized cost of energy)
MSW Resíduo sólido municipal (Municipal Solid Waste)
MW Megawatt
MWe Megawatt elétrico
MWh Megawatt hora
MWht Megawatt térmico.hora
MWt Megawatt térmico
PCI Poder calorífico inferior
NREL Laboratório de energia renovável norte-americano (National Renewable
Energy Laboratory)
SAM System Advisory Model
SWERA Biblioteca da NREL que reúne conjuntos de dados de recursos de energia solar
TES Armazenamento de Energia Térmica (Thermal Energy Storage)
1
1 Introdução
A importância do setor energético para o desenvolvimento social e econômico é
reconhecida no mercado internacional (Mehos, Turchi, & Judith Vidal, 2017). Há uma
estreita relação entre a quantidade e a qualidade de energia disponível e o avanço da
economia (EPE, 2017).
Entretanto, nas últimas décadas ficou mais evidente a degradação ambiental no planeta e
os riscos que isso pode causar aos seres vivos (IPCC, 2017). Essa degradação ocorre
devido ao aumento da população, do consumo de energia final, com ênfase em
combustíveis fósseis, da atividade industrial e do desmatamento.
Neste contexto o setor de energias renováveis ganhou espaço e assumiu um papel
estratégico, não apenas para o futuro do sistema energético mundial, mas com um impacto
muito mais amplo em muitos aspectos da sociedade (IRENA, 2019).
Aliada a estas mudanças, existe a necessidade de levar energia com qualidade a milhões
de pessoas no mundo que ainda não têm acesso a ela. Este é um dos Objetivos de
Desenvolvimento Sustentável (ODS) traçados pela Cúpula das Nações Unidas em 2015,
onde diversos países se comprometeram a “assegurar o acesso confiável, sustentável,
moderno e a preço acessível à energia para todos” (ODS/IPEA, 2018). Além disso, as
novas formas de energia em conjunto com a revolução digital podem se tornar alternativas
viáveis e otimizadas para o desenvolvimento de certas regiões. Estes são os principais
aspectos da transformação pode mudar radicalmente a maneira como se avalia o mundo
das energias renováveis.
Em estudo realizado pela Empresa de Pesquisa Energética (EPE) foi feita uma análise
sobre as fontes geradoras de energia existentes no Brasil e como será a contribuição destas
nos próximos 10 anos. O crescimento de novas formas de energias renováveis, solar e
eólica, é notável. A previsão é que representem 30% do potencial de geração de energia
elétrica instalado no Brasil até 2026 (EPE, 2018).
2
Figura 1 - Participação de novas fontes de energia renovável (NHRES) na capacidade instalada para
geração elétrica
Fonte: (EPE, 2018)
Assim, este estudo tem como objetivo analisar o comportamento de uma planta solar
utilizando a tecnologia heliotérmica, também denominada Concentrated Solar Power
(CSP), que ainda tem potencial de crescimento ao redor do mundo (IRENA, 2019).
Entre os tipos de plantas CSP, Refletor Linear Fresnel, Cilindro Parabólico, Disco
Parabólico e Torre de Concentração, este último é o menos estudado na literatura para
aplicações no território brasileiro1. Contudo, a Torre solar obtém razões de concentração
mais altas do que os outros tipos de tecnologia (Soria R. A., 2011), apresentando um uso
potencial para a matriz energética brasileira (Burgi, 2013). Por este motivo, o objetivo
deste projeto é fazer o estudo de engenharia e analisar a viabilidade técnica de uma
proposta de arranjo para a opção baseada em Torre Solar, visto que esta tecnologia vem
evoluindo e se destacando entre as opções de construção atualmente no mundo (IRENA,
1 Dentre os estudos sobre a utilização do CSP parabólico no Brasil, dois exemplos são “Avaliação de
alternativas para introdução da geração elétrica termossolar na matriz energética brasileira” (Malagueta,
2013) e “Cenários de geração de eletricidade a partir de geradores heliotérmicos no brasil: a influência do
armazenamento de calor e da hibridização” (Soria R. A., 2011).
3
2019). A projeção que a tecnologia CSP cresça 87% (4,3 GW) até 2023, 32% a mais do
que o período compreendido entre 2012 e 2017 (IEA, 2018).
De fato, o sistema CSP tem a vantagem de permitir diferentes configurações para plantas,
que podem ter sua capacidade de geração aumentada ou regularizada, através do
armazenamento térmico de energia ou da hibridização2 com outras tecnologias ou fontes
de energia. Logo, a planta CSP proposta e avaliada neste estudo será hibridizada com
biogás (biometano), uma fonte combustível que ainda é pouco utilizada no Brasil e tem
um grande potencial para difusão (Antônio, Filho, & Silva, 2018).
Neste estudo, a proposta é que o biogás seja usado para abastecer a planta quando o
recurso solar for insuficiente para atender a demanda de energia térmica da planta. A fonte
do biogás é a decomposição de matéria orgânica. Sua constituição é, em sua maioria,
metano e gás carbônico, e a sua principal produção se dá em biodigestores e aterros
sanitários que coletam e tratam os gases produzidos pelo lixo que seriam liberados na
atmosfera (Teodorita Al Seadi, 2008). Dessa forma, além de auxiliar na geração de
energia elétrica, a hibridização da Torre solar com biometano mantém o caráter
sustentável do sistema.
Para melhor compreensão deste documento, o texto foi separado em 6 capítulos, de
acordo com seus temas. Neste primeiro capítulo, realiza-se uma breve introdução para a
contextualização do problema e a definição do objetivo do estudo. No segundo,
caracterizam-se o recurso solar, em termos de radiação global e direta, e o recurso
biomassa, em termos de produção de biogás. Depois, realiza-se a descrição tecnológica
básica dos componentes da planta CSP híbrida, que será avaliada no estudo. O terceiro
capítulo trata da metodologia do estudo para a definição da planta solar, do sistema de
biogás e do ciclo de potência, além de introduzir as ferramentas de simulação utilizadas
para os balanços de energia e massa. No quarto capítulo são apresentados o estudo de
caso e a descrição dos cálculos da simulação. No quinto e último capítulo, sumarizam-se
os resultados do estudo, suas conclusões e limitações, com sugestões de estudos futuros.
2 Hibridização diz respeito a utilização outra fonte energética, além do recurso solar, para gerar a energia
térmica que será usada pelo bloco de potência da planta CSP.
4
2 Descrição da Proposta Tecnológica do Estudo
Este capítulo apresenta uma descrição tecnológica dos componentes da planta projetada.
Inicialmente será apresentado o recurso solar e todas as características que permitem a
geração de energia. Posteriormente descrição da tecnologia do biogás seguido dos tipos
de plantas de concentração solar serão detalhadas. Por sim, será possível descrever o ciclo
de potência utilizado no projeto.
2.1 Recurso Solar
Além das formas de aproveitamento direto da radiação solar, várias formas de energia
utilizadas no mundo são derivadas de processos em que a energia solar foi fundamental,
como o carvão, o óleo e o gás natural. Além disso, a energia dos ventos e das marés
também são originadas a partir da energia solar, visto que são causadas por diferenças na
temperatura de várias regiões terrestres (Kalogirou, 2009).
A maior vantagem da energia solar quando comparada às outras formas é o fato de ser
uma energia renovável abundante e fornecida sem causar danos ao meio ambiente. O sol
é um reator de fusão esférico com o diâmetro de 1,39∙106 km, possui temperatura efetiva
da superfície de 5760 K e distância aproximada da terra de 1,5∙108 km (Morrison &
Rosengarten, 2011). Está em um estágio de mudança constante. Assim, algumas
perturbações podem causar grandes variações na radiação que é emitida por
comprimentos de onda muito longos ou muito curtos.
As diferentes camadas do sol que influenciam na radiação solar são a Fotosfera, a Zona
de Convecção, a Cromosfera e a Corona (Morrison & Rosengarten, 2011). Entre essas
camadas ocorre repetidamente a emissão e a absorção de radiação antes que esta atinja a
superfície solar, em decorrência desse fenômeno o sol não funciona como um corpo
negro. É importante entender essas camadas e as características do sol para a otimizar o
projeto de um coletor solar. A projeção de superfícies de recepção solar deve levar em
consideração o complicado espectro de radiação solar.
Manchas solares, também conhecidas como “Sunspots”, também influenciam o espectro
de distribuição solar (Morrison & Rosengarten, 2011). As manchas causam um grande
impacto na dinâmica das camadas superiores da atmosfera terrestre, mas possuem pouca
interferência direta no total de energia recebido na superfície terrestre. Para conhecer a
5
capacidade exata da potência da radiação solar que atinge a superfície terrestre é usada a
Constante Solar.
A Constante Solar é o fluxo de potência radiante solar através de uma superfície de
unidade de área orientada normal ao feixe solar. É a potência que atinge a atmosfera na
superfície de 1cm², perpendicularmente aos raios solares, durante um minuto A maior
parte da energia é emitida pela fotosfera, que está uma temperatura de 5760 K; sendo
assim, o fluxo de potência na superfície da fotosfera é de 78 MW/m2 (Morrison &
Rosengarten, 2011). Por sua vez, o valor da constante solar é 1368 W/m2 com uma
variabilidade de 1,5% devido à órbita excêntrica da terra em torno do sol (Morrison &
Rosengarten, 2011). Na Figura 2 é possível observar a excentricidade da órbita da terra,
fator que causa a variabilidade da constante solar.
Figura 2 - Movimento anual da terra em torno do sol, considerando as estações do hemisfério norte.
Fonte: (Kalogirou, 2009)
Além da Constante Solar, outros fatores são influenciados pela órbita e o ângulo da terra
em relação ao sol. Dessa forma, para projetos de coletores solares, o conhecimento do
“caminho” do sol através do céu é necessário para calcular a radiação solar que incide
sobre uma superfície, o “ganho de calor solar”, a orientação adequada dos coletores
solares, o posicionamento de coletores para evitar sombreamento e muitos outros fatores.
A radiação térmica viaja com a velocidade da luz no vácuo (cerca de 300.000 km/s),
depois de deixar o sol atinge a energia solar nosso planeta em 8 min e 20 s.
6
Figura 3 – Relação Sol & Terra
Fonte: (Kalogirou, 2009)
A partir do momento em que a radiação solar atinge a atmosfera terrestre alguns fatores
influenciam no seu percurso até a superfície, como a umidade, partículas em suspenção,
traços de compostos químicos, gases que absorvem radiação infravermelha (conhecidos
como gases do efeito estufa) e componentes da atmosfera que refletem ou difundem a
radiação. A atmosfera funciona, então, como um filtro da Terra.
Adicionalmente, a quantidade de energia solar recebida pela superfície da Terra varia de
lugar para lugar, havendo, então, uma variação e uma distribuição desigual desta energia
na superfície da atmosfera e no globo.
A porção da radiação solar que chega à superfície terrestre em feixes paralelos é chamada
de irradiação solar direta normal (do inglês, Direct normal irradiance – DNI). Esta
radiação é utilizada no caso de plantas CSP pois a característica de entrada dos feixes
torna a concentração solar possível, permitindo o acúmulo de energia térmica. E em
condições de céu claro, o DNI representa mais de 80% da energia solar que atinge a
superfície da Terra (Affandi, Ghania, Ghana, & Phenga, 2015). Logo, o DNI é a radiação
utilizada para o estudo de plantas CSP e será considerado nos cálculos deste estudo nos
próximos capítulos.
2.1.1 Recurso Solar Brasileiro
O Brasil possui considerável potencial de geração de energia elétrica por novas fontes
renováveis, que ainda não foi explorado, contendo com um abundante potencial solar e
eólico (CEPEL, 2000). A característica continental do país e a sua localização geográfica
são pontos importantes que contribuem para o alto potencial energético.
7
Além disso, o Brasil está situado numa região com incidência mais vertical dos raios
solares, favorecendo elevados índices de irradiação em quase todo o território nacional.
Essas condições conferem ao país algumas vantagens para o aproveitamento energético
do recurso solar. Por este motivo, o Nordeste brasileiro é uma região com grande
capacidade para a instalação de sistemas solares (CEPEL, 2000).
É possível identificar na Figura 4 abaixo a média diária da radiação solar global no Brasil.
O Nordeste é a região que se destaca comprovando o potencial brasileiro para tecnologias
solares de geração de energia.
Figura 4 – Radiação solar global diária no Brasil, média anual
Fonte: (CEPEL, 2000)
Além da irradiação global, deve-se analisar a irradiação normal direta no Brasil, pois esta
é a porção de radiação solar mais importante para a produção de energia térmica. Sendo
assim, para verificação dos dados de DNI no Brasil e avaliação do potencial de cada
região, foi utilizado um dos bancos de dados da NREL, a partir do mapa de irradiação
solar no Brasil do National Solar Radiation Database (NSRDB). Este mapa apresenta
apenas os dados das regiões norte e nordeste, e uma parte das regiões centro-oeste e
sudeste.
8
Figura 5 – DNI Brasil
Fonte: NSRDB Data Viewer, adaptado pelo autor
Por outro lado, o principal desafio relacionado à energia solar é sua natureza variável. A
intermitência do recurso solar leva ao surgimento de problemas de estabilidade e garantia
de abastecimento. Dessa forma, é necessário estudar cautelosamente a aplicação da
energia solar e as formas de possibilitar o uso de energia nos momentos em que a radiação
solar não estiver disponível na intensidade e qualidade requerida pelo sistema de
conversão de energia. Uma série de possibilidades surge para auxiliar sua inserção, como
a ampliação da transmissão, o armazenamento de energia, a gestão de carga, a mudança
de operação das usinas, a flexibilização da carga, a hibridização com outras fontes de
energia, entre outras (EPE, 2018).
Ademais, o fato de o Brasil ser um país abundante em recursos renováveis aumenta as
possibilidades de associação da energia solar com outras fontes (Viviescas, et al., 2019),
como por exemplo hidro e eólica, biomassa sólida e biogás (Soria, Pereira, Szklo, Milani,
& Schaeffer, 2015). Precisamente, esta última possibilidade de associação será analisada
neste estudo.
9
2.2 Aproveitamento Energético do Biogás
O biogás é uma mistura de gases produzidos pela decomposição natural de matéria
orgânica por micro-organismos através da digestão anaeróbica (Araújo, Feroldi, & Urio,
2014), processo fermentativo que tem como finalidade à remoção de matéria orgânica, a
formação de biogás e a produção de biofertilizantes ricos em nutrientes (PERSSON,
JÖNSSON, & WELLINGER, 2006). Na Natureza existem vários ambientes favoráveis
ao desenvolvimento da digestão anaeróbica, sendo representados pelos pântanos,
estuários, mares e lagos, usinas de carvão e jazidas petrolíferas. Esses sistemas anaeróbios
possuem concentrações baixas de oxigênio, facilitando a ocorrência da geração do biogás.
Da observação e análise da combustão natural desse gás na superfície de regiões
pantanosas, veio a possibilidade de produzir gás combustível, partindo de resíduos
orgânicos (PRATI, 2010).
Vários tipos de matéria-prima podem ser usados para a produção de biogás: esterco de
animais, resíduos de culturas, resíduos orgânicos da produção de laticínios, resíduos de
indústrias de alimentos e agroindústrias, lodo de águas residuais, fração orgânica de
resíduos sólidos municipais, resíduos orgânicos de residências e de empresas
alimentícias, bem como culturas energéticas. O biogás também pode ser coletado, com
instalações especiais, em aterros sanitários (Seadi, et al., 2008). Uma das principais
vantagens da produção de biogás é a capacidade de usar os tipos de "biomassa úmida"
como matéria-prima, todos caracterizados por um teor de umidade superior a 60-70%,
por exemplo, lodo de esgoto, pasta de animais e lodo de flotação do processamento de
alimentos (Oliveira, 2009)
Nos últimos anos, várias culturas energéticas (grãos, milho) têm sido amplamente
utilizadas como matéria-prima para a produção de biogás em países como a Áustria ou a
Alemanha. Além das culturas energéticas, todos os tipos de resíduos agrícolas, culturas
danificadas, inadequadas para alimentação ou resultantes de condições climáticas
desfavoráveis, podem ser usadas para produzir biogás e fertilizantes. Vários subprodutos
animais, não adequados ao consumo humano, também podem ser processados em usinas
de biogás (Seadi, et al., 2008). A Tabela 1 apresenta algumas matérias primas com
potencial de produção de biogás quando submetidas ao processo de biodigestão natural
ou artificial.
10
Tabela 1 – Fontes de resíduos para produção de biogás
Fonte: (PRATI, 2010)
Quando a digestão anaeróbia é realizada em biodigestores especialmente planejados, a
mistura gasosa produzida pode ser usada como combustível, o qual, além de seu maior
poder calorífico, não produzir gases tóxicos durante a queima e ser uma ótima alternativa
para o aproveitamento do lixo orgânico, ainda deixa como resíduo um lodo que é um
excelente biofertilizante (Seadi, et al., 2008).
Essa nova fonte renovável vem se consolidando no Brasil principalmente pela
versatilidade de aplicações. No ano de 2016 o setor cresceu 30%. A Associação Brasileira
de Biogás e Biometano (Abiogás) considera que o potencial nacional de biogás é de 80
bilhões de metros cúbicos de biometano. Esse volume seria capaz de suprir 24% de toda
a demanda de energia elétrica do Brasil (Galvão, 2017).
2.2.1 Características do biogás
O conteúdo energético do biogás proveniente da decomposição anaeróbica de materiais
orgânicos majoritariamente metano e dióxido de carbono, com pequenas quantidades de
ácido sulfúrico e amônia. A composição e as propriedades do biogás variam até certo
ponto, dependendo dos tipos de matéria-prima, sistemas de digestão, temperatura, tempo
de retenção e processo através do qual o mesmo é produzido. Traços de hidrogênio,
nitrogênio, monóxido de carbono, carboidratos saturados ou halogenados e oxigênio
também estão ocasionalmente presentes no biogás (Seadi, et al., 2008). Ainda, de acordo
com o tipo de material orgânico que origina o biogás, este pode também ser denominado
de gás de aterros, gás do lixo, gás de esgotos, gás de lodo, gás de dejetos, dentre outros.
A Tabela 2 contém alguns valores médios da composição do biogás, encontrados na maior
parte da literatura. Considerando o biogás proveniente de resíduos agropecuários em
11
reatores anaeróbicos com teor de metano padrão de 60%, o poder calorífico é de 23
MJ/Nm³ (Zanette, 2009).
1
Produzido a partir matéria orgânica de resíduos sólidos urbanos em aterros sanitários.
² Produzido a partir da matéria orgânica de resíduos agropecuários em reatores anaeróbicos.
Tabela 2 – Características e composição típicas do biogás
Fonte: (PERSSON, JÖNSSON, & WELLINGER, 2006)
O biogás possui baixa densidade energética devido à alta presença de gás carbônico
(CO2), além de baixa velocidade de chama (25 cm/s) e temperatura de autoignição
(650°C) se comparado a outros combustíveis como hidrogênio e gás natural (Araújo,
Feroldi, & Urio, 2014). Pode ser utilizado de diferentes maneiras, dependendo da
aplicação demandada e da purificação em relação a componentes como H2S, CO2 e
umidade, processo o qual influenciará sua compressibilidade, poder calorífico e
corrosividade (Oliveira, 2009).
Para aumentar o poder calorífico, rendimento térmico e eliminar a característica corrosiva
devido à presença de gás sulfídrico e água, é preciso tratar e purificar o biogás produzido
(Oliveira, 2009). A presença de substâncias não combustíveis no biogás, como água e
dióxido de carbono, prejudica o processo de queima tornando-o menos eficiente uma vez
que, presentes na combustão absorvem parte da energia gerada. Na medida em que se
eleva a concentração de impurezas, o poder calorífico do biogás torna-se menor. A Figura
6 mostra a relação entre o poder calorífico do biogás e a porcentagem em volume de
metano presente nele (Alves, 2000).
12
Figura 6 – Relação entre poder calorífico do biogás e a porcentagem em volume do metano
Fonte: (Alves, 2000)
2.2.2 Recuperação Energética a partir de Resíduos
Os processos de digestão anaeróbica podem ser utilizados para o tratamento de qualquer
material de origem orgânica. O tratamento de resíduos urbanos, agropecuários e de
efluentes domésticos e industriais representa atualmente a principal aplicação desses
processos em escala que permite o aproveitamento do biogás produzido (PRATI, 2010).
Além disso, biogás pode ser utilizado em praticamente todas as aplicações desenvolvidas
para o gás natural, se tornando um importante combustível para geração de energia.
O interesse na recuperação energética de resíduos através do tratamento anaeróbico pode
ser explicado considerando as vantagens e desvantagens desse processo. Dentre as
vantagens, destacam-se o balanço energético favorável, a menor produção de biomassa,
menor necessidade de nutrientes, maior carga volumétrica e a possibilidade de tratamento
da maioria dos compostos orgânicos (Zanette, 2009).
O resultado da digestão anaeróbica pode apresentar um balanço energético favorável,
porque a energia, na forma de metano, pode ser recuperada a partir da conversão biológica
de substratos orgânicos, ao invés de apenas consumirem energia, como é o caso dos
processos aeróbicos, que apresentam um consumo significativo de energia para agitação
e aeração. Além disso, a menor produção de biomassa (redução de 80 a 90%) devido à
energética dos processos anaeróbicos reduz substancialmente os custos com
processamento e disposição de lodo (Zanette, 2009).
Em relação as desvantagens dos processos anaeróbicos, os principais fatores estão
relacionados às condições operacionais. São exemplos dessas desvantagens o tempo mais
longo para o início da operação a plena carga, a sensibilidade a possíveis compostos
tóxicos, estabilidade operacional e o potencial de produção de odores e de corrosão dos
13
gases produzidos (Zanette, 2009). Contudo, apesar desses pontos, as vantagens do biogás
conseguem superar as dificuldades de produzi-lo o que torna todo o processo viável. O
resíduo biogás é o único combustível que transforma passivo ambiental em ativo
energético, e ativo energético em valor econômico (Seadi, et al., 2008).
A análise da equivalência energética do biogás auxilia na percepção de como esse
combustível é relevante. De acordo com a análise da Tabela 3 abaixo, o biogás com 65%
de metano pode ser comparado com outros tipos de combustíveis. Como por exemplo, é
equivalente a 0,6 m³ de gás natural.
Tabela 3 – Equivalência energética de 1 m³ de biogás a 65% de metano
Fonte: (Araújo, Feroldi, & Urio, 2014)
2.2.3 Tecnologia de aproveitamento de Resíduos Orgânicos
O uso dos biodigestores para o tratamento principalmente de dejetos de animais é
amplamente disseminado em todo o mundo, tanto em países desenvolvidos quanto em
países em desenvolvimento. O principal equipamento desse processo de conversão de
biomassa em biogás, é o biodigestor, ilustrado na Figura 7. Este equipamento é um
recipiente onde é depositado material orgânico, que será diluído em água, passando por
um processo de fermentação anaeróbica, na qual resultará no biofertilizante e biogás
(PRATI, 2010). Essa produção de biogás a partir de biomassa pode ser utilizada como
substratos para a produção do biogás, mas a maioria dos biodigestores utiliza esterco
líquido para a fermentação (Pereira, Godoy, Godoy, Bueno, & Wegner, 2015).
Nas comunidades rurais, as unidades de pequena escala predominam. Estima-se que
existam 8 milhões de biodigestores de pequena escala na China (Zanette, 2009). Na Índia,
onde a tecnologia do biogás é conhecida há mais de cem anos, o Projeto Nacional de
Desenvolvimento do Biogás, lançado pelo governo em 1981, resultou na instalação de
3,4 milhões de biodigestores domésticos. Nesses casos, os biodigestores são geralmente
14
empregados para fornecer gás para cocção e iluminação para uma residência (Oliveira,
2009).
Figura 7 – Modelos de biodigestores utilizados em comunidades rurais
Fonte: (Zanette, 2009)
Nos países desenvolvidos, as plantas de digestão anaeróbica em fazendas são geralmente
maiores e o gás é utilizado para produzir calor e eletricidade. Essas unidades são
constituídas de tanques agitados que utilizam longos períodos de retenção para
proporcionar o tratamento necessário (Zanette, 2009).
Para a projeção e construção dos digestores, geralmente são levados dois modelos em
consideração, o chamado digestor com topo de borracha e o digestor de topo de concreto,
geralmente construído no solo. Ambos possuem formato cilíndrico com uma razão
altura/diâmetro de 1/3 a 1/4 e são tanques com mistura intermitente com tempo de
retenção do resíduo no digestor de 15 a 50 dias (Zanette, 2009).
Em relação a cobertura do biodigestor, pode ser feito com uma membrana simples ou
dupla. A vantagem do digestor com topo de borracha é o custo, uma vez que uma
membrana é mais barata do que uma cobertura de concreto. Além disso, a membrana
serve para o armazenamento do biogás, enquanto os digestores de concreto requerem um
sistema adicional para o armazenamento do biogás. Por outro lado, o isolamento térmico
é mais fácil nestes últimos. Além disso, os digestores com membranas geralmente
apresentam problemas de emissão de odores quando a borracha é inflada devido ao
aquecimento pelo sol (Zanette, 2009).
O início do processo de transformação do resíduo orgânico no biodigestor se inicia no
tanque de entrada, ou lagoa de sedimentação. Comumente, esses resíduos são coletados
15
em um tanque de alimentação onde outros substratos solúveis podem ser adicionados e,
caso o tanque seja equipado com um macerador, substratos sólidos também podem ser
utilizados (Zanette, 2009). Esse composto é exposto a uma fermentação aeróbia, ou seja,
a digestão do resíduo na presença do ar, no qual somente proliferam bactérias aeróbias.
Neste processo a maior parte do oxigênio dissolvido na mistura é liberado para o meio ou
consumido pelas bactérias aeróbias, viabilizando assim, o posterior desenvolvimento das
bactérias anaeróbias (Rohstoffe, 2010).
Pelo tubo de carga, o resíduo é introduzido no digestor em que será submetido a uma
digestão anaeróbia para a produção do biogás. O grupo de bactérias mais importante no
processo são as denominadas bactérias metanogênicas, e são elas que formam o gás
metano (PRATI, 2010). Esse processo é realizado basicamente em três etapas, como
exposto na Figura 8.
Figura 8 – Fases da produção do biogás
Fonte: (PRATI, 2010)
Na primeira etapa, a matéria orgânica é convertida em moléculas menores pela ação de
bactérias hidrolíticas e fermentativas. Estas bactérias são responsáveis por uma série de
reações químicas que transformam esses produtos em ácidos solúveis, alcoóis e outros
compostos (Rohstoffe, 2010).
Na segunda fase, as bactérias acetogênicas transformam os produtos obtidos na primeira
etapa em ácido acético (CH3COOH), hidrogênio e dióxido de carbono. Essas bactérias
são facultativas, ou seja, elas podem atuar tanto em meio aeróbio como anaeróbio. O
oxigênio do material orgânico não aproveitado no processo aeróbio do sistema é utilizado
para efetuar essas transformações (PRATI, 2010).
16
O metano é formado na última etapa da produção do biogás (Seadi, et al., 2008). As
bactérias metanogênicas, transformam o hidrogênio, o dióxido de carbono e o ácido
acético (CH3COOH) em metano e dióxido de carbono. Estas bactérias anaeróbias são
extremamente sensíveis a mudanças no meio, como temperatura e pH. As bactérias
produtoras do biogás são mesofílicas, vivem entre 35 a 45 ºC e são sensíveis a alterações
de temperatura. Variações bruscas de temperatura fariam com que as bactérias
metanogênicas não sobrevivessem, o que acarretaria a diminuição considerável da
produção de biogás (PRATI, 2010).
Outro fator considerável é a acidez do processo, uma vez que as bactérias produtoras do
metano sobrevivem numa faixa variável de pH entre 6,5 e 8,5 (Seadi, et al., 2008). Assim,
enquanto as bactérias constantes dos estágios um e dois da digestão anaeróbia produzem
ácidos, as bactérias produtoras de metano consomem esses ácidos, mantendo o meio
neutro (PRATI, 2010).
O biogás liberado pelas bactérias anaeróbias é acumulado no gasômetro e pode ser
utilizado para produção de eletricidade em sistemas de cogeração. A importância da
utilização dessa transformação dos resíduos através do biodigestor vai além da economia,
existem outras vantagens ligadas ao desenvolvimento da tecnologia. Como por exemplo,
o envio de dejetos de animais para o biodigestor evita que estes sejam jogados no meio
ambiente sem tratamento, contaminando nascentes e lençóis freáticos. Os principais
beneficiários do equipamento são os agricultores pelo aproveitamento dos dejetos para a
produção do biogás e o biofertilizante e o meio ambiente em geral (Pereira, Godoy,
Godoy, Bueno, & Wegner, 2015).
2.2.4 Utilização do Biogás
As aplicações mais comuns para o biogás são a geração de calor e eletricidade. Além
dessas aplicações, a utilização como combustível veicular e a injeção na rede de gás
natural são aplicações que vêm atraindo interesse cada vez maior. Nos países em
desenvolvimento, o uso mais comum do biogás em plantas de pequena escala é para
cocção e iluminação. Fogões convencionais a gás e lamparinas podem ser facilmente
ajustados para usar biogás modificando a razão ar e gás (Oliveira, 2009).
17
Este combustível também pode ser utilizado em caldeiras para cogeração de energia. Em
diversas aplicações industriais, o biogás é utilizado para a produção de vapor. A queima
do biogás em caldeiras é uma tecnologia bem estabelecida e confiável, e existem poucas
restrições em relação à qualidade do biogás (Seadi, et al., 2008). A pressão geralmente
deve estar entre 8 e 25 mbar. Adicionalmente, é recomendável reduzir o nível de H2S para
menos de 1000 ppm, o que permite manter o ponto de orvalho em torno de 150°C. Além
disso, o ácido sulfuroso formado no condensado leva à corrosão intensa (Zanette, 2009).
É recomendável, portanto, a utilização de aço inoxidável para as chaminés ou
queimadores de condensação e chaminés plásticas resistentes a altas temperaturas.
A geração de energia elétrica ou cogeração também são processos que podem utilizar o
biogás como combustível. Diversas tecnologias estão disponíveis, sendo as principais
aplicações em geradores com combustão interna e as turbinas a gás (Lantz, Svensson,
Björnsson, & Börjesson, 2006). Para a geração de eletricidade, a utilização de biogás em
sistemas de combustão interna é uma tecnologia bem estabelecida e extremamente
confiável (Araújo, Feroldi, & Urio, 2014). Além disso, o uso de turbinas a gás é uma
aplicação promissora. Elas possuem eficiência comparável à de motores pequenos com
injeção por centelha com baixas emissões, permitindo também a recuperação de vapor de
baixa pressão, o que é interessante para aplicações industriais. Além disso, os custos de
manutenção são muito baixos. As especificações para o gás são comparáveis às dos
sistemas de cogeração (Zanette, 2009).
O biogás também pode ser purificado para atingir as especificações do gás natural e ser
utilizado nos veículos que utilizam o gás natural veicular (GNV) (Rohstoffe, 2010).
Entretanto, as especificações para a qualidade do gás são estritas. Ou seja, o biogás
proveniente de um digestor ou aterro precisa ser purificado. Na prática, isso significa que
o CO2, H2S, NH3, material particulado e água (e algumas vezes outros componentes)
foram removidos, de modo que o gás resultante para o uso veicular possui um conteúdo
de metano superior 95% em volume. Em cada país, diferentes especificações para o uso
veicular do biogás e do gás natural são aplicadas (Zanette, 2009).
Finalmente, o biogás pode ser injetado e distribuído na rede de gás natural, uma vez que
o biogás assim como o gás natural é composto principalmente de metano (PRATI, 2010).
Existem diversas vantagens para o uso da rede de gás natural para o transporte e
distribuição do biogás. Uma delas é que a rede conecta os locais de produção com as áreas
18
mais populosas, o que permite que o gás alcance novos consumidores. Adicionalmente,
a injeção do biogás na rede de gás natural aumenta a segurança do abastecimento local.
As especificações do gás natural devem ser atendidas para a injeção na rede, o que pode
ser realizado, na maioria das vezes, com os processos de tratamento existentes (Zanette,
2009).
2.3 Tecnologia Heliotérmica
A tecnologia heliotérmica, ou de concentração solar (CSP), é uma forma de
aproveitamento da energia solar para geração de energia elétrica. Este tipo de tecnologia
concentra a radiação solar por superfícies refletoras, ou coletores solares, para a geração
de energia térmica de alta temperatura. A energia solar é concentrada em receptores
operando com um fluido de trabalho (HTF) que troca calor com o ciclo de potência,
geralmente óleo sintético ou sal fundido, que executa um ciclo termodinâmico,
usualmente Rankine ou Brayton (Soria R. A., 2011). A geração de vapor a partir do calor
obtido no campo solar aciona mecanicamente uma turbina e um gerador para a produção
de energia elétrica.
Os principais elementos de uma planta solar podem ser divididos em 3 blocos: o campo
solar, composto por coletores e receptores, o fluido HTF e bomba desse fluido; o sistema
de armazenamento térmico e o bloco de potência. Muitos tipos de combinações com esses
elementos são possíveis (Kalbermatter, 2017).
Os três blocos funcionam integrados em uma planta, como é ilustrado na Figura 9. O
campo solar se comunica com o bloco de geração de potência, cedendo calor para a
produção energia elétrica, também com o sistema de armazenamento cedendo calor para
o seu carregamento. Na ausência de radiação solar, o fluido HTF do campo solar
descarrega o sistema de armazenamento, passando a ser aquecido por ele, e mantém o
fornecimento de energia para o bloco de potência (WAGNER & GILMA, 2011).
19
Figura 9 – Blocos principais de uma planta solar
Fonte: (IEA, 2014)
2.3.1 Campo Solar
Coletores solares são trocadores de calor que transformam radiação solar em energia
térmica (Kalogirou, 2009). Esta energia térmica pode ser utilizada diretamente nesta
forma, como no aquecimento de água, ou convertida para geração de energia elétrica,
como ocorre em uma planta CSP. Os coletores podem ser basicamente de dois tipos: não-
concentradores e concentradores, sendo que a diferença entre eles está na relação entre a
superfície de captação do fluxo solar e a superfície de transferência de calor ao fluido
(óleo, água, sais, etc.) (Soria R. A., 2011). Os coletores não concentradores possuem a
mesma área de abertura área de interceptação e absorção da radiação, possuindo
superfície plana, e são aplicáveis para sistemas que necessitem de baixa temperatura.
Em aplicações que demandem temperaturas mais elevadas, como é o caso da tecnologia
CSP, são mais adequados os concentradores solares. Estes possuem em geral uma
superfície refletora curva que direciona a irradiação direta incidente a um ponto focal,
onde está instalado um receptor pelo qual escoa fluido absorvedor de calor (Malagueta,
2013). O objetivo é concentrar a maior quantidade de energia para gerar maiores
temperaturas e, consequentemente, gerar energia de melhor qualidade. A superfície do
receptor é revestida por uma cobertura com alta absorbância a radiação solar e baixa
emitância para radiação térmica (infravermelho) (Kalogirou, 2009).
De acordo com o rastreamento dos concentradores solares e suas características de
movimentação, fixos ou móveis, estes podem ser classificados de acordo com seu foco
com pontuais ou lineares. Os concentradores classificados como pontuais focam a energia
20
em um único ponto, enquanto os concentradores lineares focam a energia em uma
superfície. Já os concentradores móveis rastreiam o sol, sendo que este movimento pode
se dar em um ou mais eixos (Milani R. F., 2014).
As diferenças entre as tecnologias CSP podem ser classificadas quanto ao tipo de coletor
(parabólico ou plano), foco da concentração solar (pontual ou linear), fluido de trabalho,
integração à infraestrutura de transmissão (conectada ao grid ou geração distribuída),
entre outros (Burgi, 2013). Atualmente existem quatro tipos principais de configurações
para plantas CSP, que podem ser classificadas de acordo com o tipo de coletor e tipo de
receptor. A Tabela 4 abaixo apresenta uma descrição dessas tecnologias de acordo com a
Agência Internacional de Energia (IEA).
Tabela 4 – Tabela com as quatro principais tecnologias CSP
Fonte: (IEA, 2014), traduzido do inglês e adaptado pelo autor
A Figura 10 a seguir ilustra cada tipo de planta de acordo com sua classificação.
Figura 10 – Classificação dos tipos de tecnologia CSP
Fonte: (Milani R. F., 2014)
21
Das quatro configurações apresentadas acima, a Torre Solar de receptor central foi
escolhida para este estudo.
A tecnologia Torre solar, também denominada coletor central, faz uso de superfícies
refletoras planas, denominadas heliostatos, que concentram a radiação solar direta normal
em um ponto focal na parte superior de uma torre. Dessa maneira o receptor na tecnologia
CSP Torres solares se encontra fixo. Por esse motivo, o sistema de rastreamento da
energia solar realizado pelos heliostatos em plantas CSP de Torre Solar ocorre em dois
eixos (Malagueta, 2013).
São utilizadas três possibilidades de fluidos de trabalho para a Torre Solar: vapor, sais
fundidos e ar. O vapor apresenta como vantagem o fato de não necessitar de trocadores
de calor, uma vez que o vapor gerado no campo solar pode ser diretamente utilizado na
turbina a vapor. Este arranjo, porém, apresenta escoamento multifásico e altas pressões
de trabalho, sendo tais condições ainda consideradas um desafio (Burgi, 2013). O arranjo
com ar ainda está sendo estudado e não possui na literatura muita informação a respeito
de sua eficiência.
O sistema que opera com sais fundidos necessita de trocadores de calor, e de um sistema
de backup devido à alta temperatura de fusão dos mesmos. Contudo, tais sais apresentam
como vantagem a alta temperatura que atingem sem se degradarem, aproximadamente
600ºC, facilitando a utilização de termoacumulação. Neste estudo será utilizado o sal
fundido como fluido de trabalho.
A Figura 11 demonstra o esquema de uma Torre CSP operando com o sal fundido.
Figura 11 – Bloco de geração de energia da planta CSP
Fonte: (Mehos, Turchi, & Judith Vidal, 2017)
22
O campo solar pode variar de acordo com a geometria dos heliostatos, que podem ser
retangulares ou circulares. Para este projeto foram selecionados os heliostatos
retangulares, com quatro facetas verticais e quatro horizontais. Contudo,
independentemente da geometria, os heliostatos estão sujeitos a perdas óticas, resultando
em uma radiação solar refletida pelas superfícies menor que a radiação incidente. Os
principais fatores causadores dessas perdas e que afetam o desempenho do campo de
heliostatos são:
a) Efeito cosseno: O ângulo entre o feixe de radiação solar incidente e o vetor normal à
superfície do heliostatos interfere na eficiência da reflexão. Quanto maior for o
ângulo, maior será a perda de eficiência (cosseno se aproxima de zero). Perdas
significativas em uma planta Torre solar são causadas por esse efeito. A Figura 23
abaixo ilustra este efeito (Filho, 2014).
Figura 12 – Efeito cosseno na reflexão do heliostatos
Fonte: (Filho, 2014)
b) Reflexão do receptor: A fração da radiação incidente no receptor que é refletida
depende da absorção do revestimento da superfície receptora e do ângulo de
incidência da radiação solar.
c) Dispersão atmosférica: Perda devido à dispersão do feixe de radiação refletida do
heliostato ao receptor. Dessa forma, quanto menor a distância entre o heliostatos ao
receptor e quanto menor a umidade relativa do ar, mais eficiente é a planta.
d) Desfocagem: A perda por desfocagem é a proporção da radiação refletida que não
intercepta a superfície do receptor e é perdida para o ambiente.
23
e) Sombreamento e bloqueio: A posição de um heliostatos em relação a outro no campo
pode gerar sombras e causar perdas de eficiência pela diminuição da capacidade
reflexiva (Filho, 2014).
f) Eficiência do campo de heliostatos: A eficiência do campo de heliostatos definida
para este projeto é de 90%. Contudo, o envelhecimento e a sujeira reduzem este valor
ao longo do tempo.
g) Manutenção: Quando for necessário realizar manutenções no campo ou em alguns
heliostatos separadamente, a eficiência geral do campo também irá diminuir.
h) Precisão de movimentação do campo: A inclinação do eixo rotacional, a refração
atmosférica, a curvatura da estrutura do heliostatos, o alinhamento do espelho e o
algoritmo de erro da posição do sol, são fatores que causam perdas de eficiência.
2.3.2 Armazenamento Térmico
A despachabilidade3 das plantas CSP é uma das características que as tornam mais
atraentes em relação às demais fontes de energia limpa (Teske, 2019). De fato, a presença
do armazenamento térmico e de um sistema de backup, permite a geração de energia
elétrica de forma controlada, mesmo na ausência do recurso solar (IEA, 2014). Desse
modo, plantas CSP podem atuar como plantas de base ou como apoio para outras plantas
durante variações na demanda e em momentos de pico (Kalbermatter, 2017).
Plantas CSP possuem uma significativa vantagem em relação a outras fontes renováveis
de energia como a eólica e a solar fotovoltaica no que diz respeito ao armazenamento de
energia. Uma vez que o princípio de geração de eletricidade por plantas CSP está baseado
na obtenção, inicialmente de energia térmica, o armazenamento de energia pode ocorrer
nesta etapa, onde usualmente tanques de armazenamento isolados termicamente são
utilizados para armazenar a energia térmica oriunda do campo solar e coletada pelo fluido
de trabalho nos receptores (Burgi, 2013).
O armazenamento térmico possibilita a geração de energia elétrica para atendimento de
demandas no período noturno ou em situações onde a radiação solar se encontra
restringida por fatores climáticos como a presença de nuvens ou ocorrência de chuvas, o
que ocasiona a diminuição da componente direta da radiação solar (Burgi, 2013). Plantas
3 Despachabilidade é a capacidade de gerir a operação de uma planta conforme a necessidade de energia
elétrica ou como o ótimo financeiro da operação.
24
CSP projetadas para armazenar energia térmica demandam maior campo solar, o que
aumenta seu custo de capital, aumentando também, por outro lado, seu fator de
capacidade. Contudo, operador de planta CSP dotada de armazenamento térmico possui
flexibilidade no despacho da energia térmica armazenada e consequentemente no
despacho da energia elétrica, o que proporciona otimização na geração de energia.
Existem dois tipos principais de armazenamento, sistemas de acumulação sensível e
sistemas de acumulação latente. O calor sensível está associado a mudanças de
temperatura, à medida que o meio de estocagem absorver ou libera calor. Já o calor latente
está associado à mudança de fase da substância. Adicionalmente, existe a possibilidade
de armazenar energia térmica através de reações químicas endotérmicas reversíveis
(Milani R. F., 2014), no entanto ainda não existem plantas comerciais que utilizem esse
tipo de armazenamento (Kalbermatter, 2017).
O arranjo para armazenamento de energia térmica bastante utilizado é com o uso de dois
tanques, um a baixa temperatura e outro a alta temperatura (Malagueta, 2013), embora
existam outras formas de compor um sistema híbrido solar. Quando parte do calor é
transferida para um fluido de armazenamento (em geral sal fundido) em um trocador de
calor, o fluido do tanque mais frio é aquecido e conduzido ao tanque mais quente
(Malagueta, 2013). Quando requisitado, o fluido quente do tanque de armazenamento
pode ser reconduzido ao trocador de calor, para desta vez transferir calor ao sistema de
geração de eletricidade (Malagueta, 2013).
A Figura 12 abaixo demonstra como o excesso de energia pode ser desviado para o
sistema de termoacumulação, permitindo que plantas CSP continuem gerando
eletricidade mesmo com a ausência do sol, nas últimas horas do dia (Kalbermatter, 2017).
Figura 13 – Esquema de planta solar com termoacumulação e backup
Fonte: (GIL, MEDRANO, & MARTORELL, 2009), traduzido do inglês.
25
2.3.3 Ciclo de Potência
Os sistemas CSP em operação utilizam em grande maioria turbinas a vapor, através de
um ciclo Rankine, apesar de muitos outros ciclos também serem possíveis (WAGNER &
GILMA, 2011). Este ciclo é o mais utilizado para a geração de energia elétrica, podendo
usar como fonte de calor a combustão de qualquer hidrocarboneto ou o aquecimento solar.
Ele tem o nome de seu descobridor William John Macquorn Rankine, um professor da
Universidade de Glasgow.
Para plantas CSP, a fonte de calor principal é o campo solar, mas em outras tecnologias
pode ser uma caldeira a carvão ou um reator nuclear. O fluido de trabalho geralmente
utilizado é a água, que ao longo do ciclo é evaporada e condensada. Os seguintes
processos acontecem idealmente da seguinte forma no Ciclo Rankine simples (Wylen,
Borgnakke, & Sonntag, 2013):
• 1-2 Compressão isentrópica em uma bomba. O fluido é bombeado de uma pressão
baixa para uma mais alta.
• 2-3 Adição de calor a pressão constante em uma caldeira (trocador de calor). O
fluido é aquecido e evaporado numa caldeira a uma pressão constante.
• 3-4 Expansão isentrópica. O fluido passa por uma turbina para geral trabalho. A
temperatura e pressão diminuem neste passo.
• 4-1 Rejeição de calor a pressão constante em um condensador (trocador de calor).
O fluido é resfriado até condição de líquido saturado.
Figura 14 – Ciclo Rankine ideal Figura 15 – Diagrama T-s do ciclo Rankine
Fonte: (Mantilla, 2017) Fonte: (Mantilla, 2017)
26
Analisando o volume de controle em regime permanente do Ciclo Rankine descrito acima
e considerando variações de energia cinética e potencial desprezíveis, a Primeira Lei da
Termodinâmica pode ser aplicada da seguinte forma:
𝑄 ̇ − �̇� = �̇� (ℎ𝑠𝑎𝑖𝑑𝑎 − ℎ𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎)
Detalhando a análise termodinâmica para cada um dos equipamentos:
Bomba: 𝑤𝐵 = ℎ2 − ℎ1
Trocador de Calor/Caldeira: 𝑞ℎ = ℎ3 − ℎ2
Turbina: |𝑤𝑇| = ℎ3 − ℎ4
Condensador: |𝑞𝑙| = ℎ4 − ℎ1
Adicionalmente, considerando o princípio da 1𝑎 Lei da Termodinâmica em que o trabalho
realizado durante o ciclo é positivo e igual ao calor líquido transferido, a seguinte equação
é considerada:
0 = ∮ δQ − ∮ δW
𝑊 = 𝑄ℎ − 𝑄𝑙
Consequentemente, a equação final do trabalho gerado por este ciclo é:
𝑤𝑙𝑖𝑞 = 𝑞ℎ − 𝑞𝑙 = (ℎ3 − ℎ2) − (ℎ4 − ℎ1)
27
3 Metodologia de Avaliação da Planta Proposta
3.1 Ferramentas de Simulação
3.1.1 System Advisor Model
O System Advisor Model (SAM) é um software que possui o objetivo de projetar modelos
técnicos e econômicos de plantas geradoras de energia elétrica. Desenvolvido pelo
National Renewable Energy Laboratory (NREL), tem o objetivo de auxiliar engenheiros
e pesquisadores a elaboração de projeto de energias renováveis e facilitar a tomada de
decisão (SAM/NREL, 2017).
O programa representa o custo e desempenho de projetos de energia renovável usando
modelos de computador desenvolvidos NREL, Sandia National Laboratories,
Universidade de Wisconsin e outras organizações. A interface do SAM com o usuário
possibilita que pessoas sem muita experiência no desenvolvimento de modelos
computacionais possam construir projetos de energia renovável e realizar projeções de
desempenho com base nos resultados do modelo. Além disso, os arquivos de dados
climáticos descrevendo o recurso de energia renovável e as condições climáticas
localização do projeto, já são disponibilizados pelo software.
A primeira versão pública do programa tinha o objetivo de realizar análise apenas de
sistemas fotovoltaicos e sistemas de concentradores parabólicos, na mesma plataforma de
modelagem. Foi lançada em agosto de 2007. Ao longo dos anos outras tecnologias de
geração de energia renováveis foram atualizadas no software, solares e não-solares, como
energia eólica, geotérmica e biomassa (SAM/NREL, 2017).
3.1.2 Solar Pilot
A Ferramenta Integrada de Otimização e Layout da Torre de Energia Solar (SolarPILOT)
gera e caracteriza sistemas de torre de energia (receptor central). Este software foi
desenvolvido pelo Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL).
O SolarPILOT consiste em uma interface gráfica do usuário e uma interface de
programação de aplicativos através da qual os programas externos podem acessar a
funcionalidade do software. O mecanismo de cálculo do SolarPILOT estende o
DELSOL3 da Sandia National Laboratories usando a técnica de expansão Hermite
28
computacionalmente eficiente; mas aplica cálculos a cada imagem de heliostato, em vez
de a grupos maiores de heliostáticos - como o DELSOL3 (SAM/NREL, 2017). O
SolarPILOT também integra o mecanismo de rastreamento de raios SolTrace para
permitir a comparação cruzada de resultados e a análise de geometrias mais complexas.
O SolarPILOT é usado por pesquisadores, desenvolvedores de tecnologia do setor e
acadêmicos para avaliar o desempenho da tecnologia, quantificar o valor das descobertas
da pesquisa e fornecer validação independente e de terceiros para ferramentas
desenvolvidas em particular (SAM/NREL, 2017). O SolarPILOT também é usado por
sua API pelo software System Advisor Model (SAM) da NREL.
3.2 Critério de seleção da localidade
De acordo com o objetivo desta dissertação, que é desenvolver o estudo de caso de uma
proposta de tecnologia híbrida Torre solar-biogás no Brasil, o ideal é que a planta esteja
localizada em uma zona de alto potencial, ou seja, elevado DNI. O desempenho da
tecnologia CSP, consequentemente a produção de energia elétrica, necessitam de alta
exposição à irradiação solar direta. As regiões de alto potencial para instalação de
sistemas solares devem apresentar, em geral, um valor anual de irradiação solar direta
normal (𝐷𝑁𝐼) de 2.000 kWh/m2 (Teske, 2019), o que é equivalente à aproximadamente
5,48 kWh/m2 por dia.
A partir dos dados mostrados na figura 5 da seção 2.1.1, referentes ao mapa de irradiação
solar no Brasil da NREL, é possível verificar que as melhores taxas de irradiação se
encontram na região Nordeste. Porém, nesta monografia não é possível escolher qualquer
ponto desta região, pois o software SAM, que será utilizado na simulação da planta
híbrida, utiliza dados horários de radiação e lê três formatos: TMY2 (.tm2), TMY3 (.csv)
e EPW(.epw) (SAM/NREL, 2017). No Brasil apenas 20 cidades possuem dados
climatológicos nesses formatos, entre elas: Belém, Belo Horizonte, Boa Vista, Bom Jesus
da Lapa, Brasília, Campo Grande, Cuiabá, Curitiba, Florianópolis, Fortaleza,
Jacareacanga, Manaus, Petrolina, Porto Nacional, Porto Velho, Recife, Rio de Janeiro,
Salvador, Santa Maria e São Paulo. A Tabela 5 abaixo mostra os dados climatológicos
destas localidades.
29
Tabela 5 – Dados climatológicos das localidades com dados georreferenciados
Fonte: (Malagueta, 2013)
A partir destas informações, nota-se que existe apenas uma localidade que possui dados
georreferenciados e DNI superior a 2.000 kWh/m2, Bom Jesus da Lapa. Além disso, esta
cidade está localizada na Bahia, Nordeste, o que está de acordo com os dados
apresentados pela Figura 5 deste estudo. Dessa forma, Bom Jesus da Lapa será a
localidade escolhida para realizar as simulações dessa monografia.
Para o desempenho da tecnologia de geração de energia a partir do biogás, o que deve ser
levado em consideração é o potencial da cidade de gerar resíduos orgânicos para
utilização no biodigestor. O tipo de resíduo escolhido para este estudo é proveniente da
agropecuária bovina, conforme detalhamento na seção 3.4. A cidade de Bom Jesus da
Lapa possui alto potencial pecuária e atualmente possui um rebanho com 60.092 cabeças
de gado. Conclui-se então que esta localidade atente os requisitos de ambas as plantas,
solar e biogás.
Por fim, a quantidade de habitantes é necessária para calcular a energia consumida na
cidade. De acordo com o último censo, Bom Jesus da Lapa possui 69.148 habitantes
(IBGE, 2019).
30
3.3 Definição do sistema de geração de potência
A seguir serão apresentados os sistemas propostos e justificadas as escolhas do tamanho
da planta, armazenamento térmico e tipo de back-up.
3.3.1 Seleção do modelo da planta
3.3.1.1 Inspiração - Planta AORA
A inspiração para este projeto veio da planta “Solar Tulip” desenvolvida pela empresa
AORA Solar, uma empresa Israelense que desenvolveu plantas solares modulares de
pequeno porte4 e já levou o projeto até a Espanha (HelioCSP, 2012). O sistema é híbrido,
pois funciona com energia solar durante o dia e queima combustível à noite; sendo assim,
não há a componente de armazenamento de energia térmica no sistema AORA.
O sistema “Solar Tulip” é baseado em uma microturbina a gás com capacidade de
fornecer 100 kWe, além de cogerar 170 kWt de energia térmica como subproduto, em um
campo solar compacto com os heliostatos próximos à torre (HeliosCSP, 2016). Este
campo direciona a luz solar concentrada para o receptor solar, localizado no topo da torre,
como pode ser observado na Figura 15. O fluido operacional é o ar comprimido, que é
aquecido a 1000°C, e depois expandido através de uma turbina a gás (HeliosCSP, 2016).
Figura 16 – Planta CSP da AORA
Fonte: (HeliosCSP, 2016)
4 São consideradas plantas de pequeno porte aquelas com tamanhos menores do que 5 MWe.
31
É um sistema híbrido, que pode ser configurado para queimar automaticamente o biogás
ou outros combustíveis para aquecer o ar, quando o sol não está brilhando ou se radiação
solar direta que atinge a planta não for suficiente para produzir energia do bloco solar.
Isso resulta em um sistema que pode, em tese e desde que vantajoso economicamente,
produzir energia renovável 24 horas por dia – ou mesmo produzir energia elétrica com a
falta de sol por dias seguidos.
Cada um dos heliostatos rastreia o sol e reflete seus raios em direção ao topo de uma torre
cuja altura varia entre 30 e 35 metros, com uma altura focal5 entre 32 e 37 metros
(HeliosCSP, 2016). O campo solar compacto ocupa apenas cerca de 2.700 m², utilizando
aproximadamente 45-50 heliostatos, que consistem em espelhos que possuem uma
pequena curvatura. Esses espelhos perdem menos energia porque estão perto da torre
(HeliosCSP, 2016). Isso resulta em uma menor quantidade de vidro por MW, em
comparação com as maiores usinas CSP.
Esta torre contém um receptor solar especial junto com uma turbina a gás. O receptor é
aquecido pelo ar que passa em 1,4 segundos (a 88 m³/min), a temperatura de entrada do
ar é 600°C e chega até cerca de 1000°C, que é a temperatura necessária para produzir a
saída nominal de 100 kW da turbina (HeliosCSP, 2016).
A modularidade permite que cada unidade base seja localizada independentemente, sem
a necessidade de alocar uma extensão grande, plana e contígua de terra para toda a usina.
Isso oferece grande flexibilidade para encontrar locais de instalação adequados, bem
como os benefícios da escalabilidade. Ser modular também significa oferecer maior
confiabilidade, já que a manutenção de qualquer uma das unidades de base única não
requer o desligamento completo de todo o sistema (em comparação com projetos
alternativos que usam um único bloco de energia de grande escala).
3.3.1.2 Inspiração - Planta Vast
A empresa australiana Vast também elaborou uma planta CSP de pequeno porte que
chamou a atenção no desenvolvimento deste projeto. É uma planta CSP capaz de produzir
1,1 MWe (o equivalente a 6 MWth); e, assim como a planta da AORA, possui um campo
5 Altura focal faz referência a zona de concentração dos raios solares. Nesse ponto se localiza o receptor
que absorbe a energia refletida pelo campo de heliostatos.
32
considerado pequeno (VastSolar, 2018). Esta planta é denominada “Jemalong CSP Pilot
Plant” e está localizada no estado de New South Wales, Austrália (VastSolar, 2018).
Ao longo de 2018, a Vast Solar realizou testes operacionais e de desempenho para
confirmar a capacidade de operar com segurança e eficácia, confirmando o conceito da
tecnologia CSP. O comissionamento final da Planta Piloto foi confirmado em junho de
2018. Esta instalação piloto, que contém cinco módulos, é a primeira usina CSP conectada
à rede da Austrália com armazenamento de energia térmica, projetada para alcançar alta
eficiência a baixo custo (VastSolar, 2015).
Cada módulo CSP é composto por 700 heliostatos que concentram a radiação solar em
uma torre de receptor térmico dedicada de 27 metros de altura. Os cinco módulos
conectam-se a um tanque central de armazenamento de energia, onde a energia térmica
armazenada é utilizada, através de um gerador de vapor, para produzir vapor para uma
turbina e gerador de eletricidade de 1,1MWe (VastSolar, 2018).
Os destaques do projeto incluem o ciclo de potência utilizado nesta planta, o ciclo
Rankine, e o sistema de armazenamento de energia térmica. Este último é composto por
um HTF que é distribuído por toda a matriz solar para alcançar altas temperaturas e
superar as temperaturas padrões de um ciclo de energia convencional. Além disso, pode
suportar a capacidade de despachar energia renovável, sob demanda, dia ou noite.
Figura 17 – Planta CSP da VAST
Fonte: (VastSolar, 2018)
33
3.3.2 Seleção do tamanho da planta deste estudo
O objetivo deste projeto é explorar o potencial de plantas de pequeno porte, ou com
tamanhos menores do que 5 MWe. Assim, as plantas da AORA e da Vast serviram de
inspiração ao projeto proposto. O modelo de um sistema CSP compacto e utilização de
back up de biogás veio a partir da análise da planta AORA. Já a utilização do ciclo
Rankine, o sistema de armazenamento térmico com HTF e o valor da capacidade
instalada, vieram a partir da análise da planta Vast.
Como resultado dessa análise combinada, o sistema será composto por um campo solar
com a tecnologia Torre de Concentração, heliostatos e o bloco de potência baseado no
ciclo Rankine. O fluido de transferência de calor (HTF) da planta será o Hitec Solar Salt,
sal de nitrato fundido (60% NaNO3 + 40% KNO3), pois possui características
fundamentais para a eficiência da planta, como pressão, viscosidade, condutividade
térmica, massa específica e calor específico (Soria R. A., 2011). Adicionalmente, este
fluido irá garantir a termoacumulação de 2 horas para a planta solar, que será utilizada
apenas como segurança, caso o backup de biogás não possa agir com pronto atendimento.
A energia térmica proveniente da torre é armazenada na forma de calor sensível, através
de um sistema de armazenamento com um par de tanques frio e quente.
O sistema de despacho da energia elétrica do SAM permite a criação de até 9 períodos
diferentes ao longo das horas e meses, dias de semana ou fim de semana (Malagueta,
2013). Caso nenhum desses períodos sejam especificados, o SAM usa um padrão pré
definido de controle para selecionar os modos de operação. Nessa planta, o sistema de
despacho não foi especificado, pois não é necessário com uma termoacumulação pequena
de 2 horas.
O responsável principal de backup da planta será o biogás. Este combustível deve
substituir a TES de forma eficiente, gerando menos custo na construção e manutenção da
planta e ainda possibilitar o maior aproveitamento do lixo. Outra vantagem aqui também
é valorizar o resíduo urbano gerando um combustível para ser utilizado na planta solar.
34
3.3.3 Bloco de geração de energia: Hibridização CSP e Biogás
Conforme a planta apresentada na seção anterior, que serviu como inspiração para a
planta, assume-se o valor de 30 metros para a altura da torre de concentração e uma
capacidade instalada de 1,1 MW de geração de energia elétrica. O calor é transformado
em trabalho através do ciclo Rankine, descrito na seção 2.3.3.
Este ciclo também pode receber calor proveniente do biogás que que é queimado na
caldeira e é capaz de aquecer o vapor nas mesmas condições que o sistema da Torre solar.
A planta AORA, uma das que inspirou este estudo, na verdade, opera com biogás em
ciclo Brayton, portanto com turbina a gás. Contudo, para tanto, seria necessário incluir
no estudo a purificação do biogás gerado, para torna-lo passível de ser empregado em
turbinas (Bustani, 2015). Neste sentido, uma vantagem do ciclo aqui proposto, que se
coaduna com o da planta VAST, é não necessitar especificar o biogás, o que permitiria,
inclusive, operar com biogás a partir de diferentes origens.
A integração do CSP com o biogás e o desenho do ciclo de potência pode ser visualizado
na Figura 17 abaixo.
Figura 18 – Ciclo de potência da Planta CSP com backup de Biogás
Fonte: Elaboração própria
O componente principal do ciclo e que será analisado primeiro é a turbina a vapor (TV).
A partir de análises de fornecedores e modelos de turbina para geração CSP foi escolhido
o modelo SST- 150 da Siemens. A escolha desta turbina foi baseada no documento “Solar
power night and day - Dispatchable power made available by industrial steam turbines”
(SIEMENS, 2019), que apresenta as características das turbinas e das plantas CSP que
35
utilizam turbinas da Siemens. Neste mesmo documento são apresentados os modelos de
turbina assim como as faixas da potência de saída e das condições de entrada (pressão e
temperatura), de acordo com a Figura 18. As condições de projeto, como dados de entrada
e de saída da turbina, serão consideradas neste projeto conforme as especificações da
figura a seguir.
Figura 19 – Características das Turbinas Siemens utilizadas em plantas CSP
Fonte: (Siemens, 2017)
Após a escolha da Turbina, outro parâmetro importante a ser definido no projeto é o
Múltiplo Solar (MS). Este é a razão entre a área do campo solar da planta real e a área do
36
campo solar requerida para operar o bloco de potência na sua capacidade nominal, dada
uma radiação de projeto (plena carga) (SAM/NREL, 2017). Sendo assim, o MS será igual
a 1 quando a área do campo solar permitir operar a turbina com 100% de carga, para uma
radiação normal direta (DNI) de projeto, em plantas sem armazenamento térmico.
No caso em que a planta não possui termoacumulação o MS próximo a 1 é sempre o
desejado. Contudo, quando é necessário gerar mais energia no campo solar do que a
necessária para operar a turbina em plena carga, a fim de se armazenar este excesso, o
sistema irá possuir o chamado armazenamento térmico, então, o MS ideal deve ser
necessariamente maior do que 1.
Na planta CSP estudada, os fatores relevantes para definição do Múltiplo Solar são a
energia térmica dada ao ciclo de potência e a área da planta. Sendo assim, foi escolhido
o Múltiplo Solar igual entre 1,5 e 2, baseado nas análises de otimização do SAM que
serão demonstradas no capítulo 4.
3.4 Critério de Produção de Biogás
O biogás que será utilizado para hibridização com a planta CSP será proveniente da
agropecuária, devido ao potencial do município de Bom Jesus da Lapa para este setor. A
Bahia possui áreas propícias para expansão da pecuária leiteira e do gado de corte
(SEAGRI, 2018). Além disso, a produção agropecuária atual já possui números
expressivos. De acordo com a Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária o município
de Bom Jesus da Lapa possui atualmente aproximadamente 60.092 cabeças de gado
(IBGE, 2019).
Os dejetos gerados pela produção agropecuária serão coletados e inseridos no biodigestor
para a produção do biogás. Essa produção de biogás depende do número de animais e da
quantidade dejetos produzidos. Um experimento realizado pela Universidade de
Shahrekord acompanhou 50 animais, 10 utilizados na pecuária leiteira e 40 utilizados
como gados de corte, concluindo que a quantidade de resíduos gerados pelo gado de corte
é maior do que o gado leiteiro (Shamsabadi, Jahangiri, Faegh, & Dehkordi, 2016), vide
Tabela 6. A partir da análise desses resultados, neste estudo será considerado o gado de
corte como gerador de resíduos.
37
Tabela 6 – Taxa de resíduos e biogás produzidos pela agropecuária bovina
Fonte: (Shamsabadi, Jahangiri, Faegh, & Dehkordi, 2016)
Também é possível obter pela Tabela 6 os valores da taxa de produção de biogás para
cada quilograma de resíduo. Será considerada então a razão de 0,03 Nm³ de biogás /kg
de resíduo animal (Shamsabadi, Jahangiri, Faegh, & Dehkordi, 2016). Para o cálculo
dessa taxa o experimento leva em consideração a seguinte relação:
𝑅𝑎𝑧ã𝑜 𝐵𝑖𝑜𝑔á𝑠/𝑅𝑒𝑠í𝑢𝑑𝑢𝑜 = 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑑𝑒 𝑏𝑖𝑜𝑔á𝑠 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑧𝑖𝑑𝑜
𝑄𝑢𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑠í𝑑𝑢𝑜 𝑎𝑛𝑖𝑚𝑎𝑙
Adicionalmente, as condições ambientes para a produção de biogás são importantes para
garantir a taxa de conversão de resíduos. O biodigestor deve garantir uma mistura
homogênea de resíduo animal e água, na proporção de volume de 1:1. Além disso, a
temperatura interna do biodigestor deve considerar a faixa de 30°C até 32°C
(Shamsabadi, Jahangiri, Faegh, & Dehkordi, 2016).
O biodigestor neste estudo trabalha de maneira contínua e diariamente os resíduos
animais são adicionados. Contudo, o biogás só será disponibilizado para queima na
caldeira e consequente ativação da turbina quando a planta CSP não estiver trabalhando.
O objetivo do uso do biogás é manter uma produção constante de energia quando houver
falta de sol (noite e dias nublados). Portanto, será considerado um total de 16 horas para
geração de energia elétrica total da planta neste estudo, já que durante a noite (período de
10 horas da noite até 6 horas da manhã), o consumo de energia elétrica é praticamente
nulo. Após a simulação da planta CSP e a verificação de quantas horas por dia o sistema
solar é capaz de gerar energia, a quantidade de horas de funcionamento da caldeira de
biogás será definida.
Recursos de
produção de
biogás
Número de
animais
Quantidade de resíduo
produzido por animal
(kg/dia)
Quantidade total de
resíduo produzido
por dia
(kg/dia)
Taxa de produção de
biogás para cada
quilograma de resíduo
(m³/kg)
Total de biogás
produzido por dia
(m³)
1 Gado leiteiro 10 5,77 57,7 0,03 1,731
2 Gado de corte 40 32,6 1304 0,03 39,12
3 Total 50 38,37 1361,7 40,85
38
4 Estudo de Caso
Para realizar a simulação da planta de CSP no SAM é necessário definir variáveis não só
da planta heliotérmica e do biogás, mas também a localidade da planta (e,
consequentemente, seus dados meteorológicos) e as propriedades dos pontos no ciclo
térmico. Esta seção tem o objetivo de apresentar e detalhar os critérios para definição de
cada variável da simulação, inicialmente para a planta heliotérmica e, posteriormente,
para o biogás – isto é, o uso do biogás como fonte de energia do ciclo Rankine ocorre
complementarmente à disponibilidade do recurso solar.
4.1 Energia Heliotérmica
Para os cálculos da parte heliotérmica da planta, a simulação seguirá a sequência de
simulação do software SAM. O primeiro passo é clicar em “Start a new Project” e assim
visualizar todas as opções de projetos disponíveis. Neste trabalho o projeto escolhido é
“CSP power tower molten salt”. Após a escolha das opções de tecnologia, ainda podem-
se escolher os parâmetros de modelagem financeira da planta. Neste caso, o escolhido foi
“PPA - Power purchase agreement single owner (utility)”. A Figura 19 abaixo mostra a
primeira tela da simulação.
Figura 20 – Opções de tecnologia do SAM
Fonte: Própria
39
Uma vez escolhidas estas opções, a área para realizar a simulação é aberta. Esta área é
diferente para os diversos tipos de tecnologia, mas seguem um mesmo padrão. Para a
Torre de Concentração que opera com Sal Fundido, por exemplo, as guias para definição
do sistema são separadas da seguinte forma: Location and Resource, System Design,
Heliostat Field, Tower and Receiver, Power Cycle, Thermal Storage, System Control,
System Costs, Lifetime, Financial Parameters, Time of Delivery Factors, Incentives and
Depreciation. Nesta monografia as abas referentes ao modelo financeiro não serão
analisadas pois o foco está no desempenho do sistema, ou seja, o objetivo é analisar a
energia elétrica gerada.
4.1.1 Escolha da Localidade
Para iniciar a modelagem no SAM a primeira aba é chamada de “Location and
Resources”, onde é possível escolher o local onde serão feitas as simulações. Dentre as
opções disponíveis e considerando as premissas estabelecidas na seção 3.1 deste estudo,
a localidade de Bom Jesus da Lapa foi selecionada para realização das simulações.
Além de estar de acordo com o critério de construção de uma planta solar, em que o valor
anual de DNI da localidade deve ser superior a 2.000 kWh/m2 (Teske, 2019), são
necessários outros dados climatológicos para rodar a simulação no SAM, pois possuem
grande influência nos resultados de uma planta solar, interferindo no seu desenho,
operação e desempenho. Alguns exemplos são: radiação global horizontal, hora do dia,
latitude, longitude, altitude, pressão atmosférica, temperatura do ponto de orvalho,
temperatura de bulbo seco, temperatura de bulbo úmido, umidade relativa do ar e
velocidade do vento. Os dados climatológicos para a cidade de Bom Jesus da Lapa foram
obtidos a partir do próprio SAM (SWERA) e estão especificados na Tabela 7 abaixo.
Tabela 7 – Dados climatológicos de Bom Jesus da Lapa
Fonte: (SAM/NREL, 2017)
Cidade Bom Jesus da Lapa (BJL)
Estado Bahia
Fuso Horário GMT - 3
Elevação 458 m
Latitude - 13,27°
Longitude - 43,42°
2.198,5 kWh/m2.ano
6,02 kWh/m2.dia
Irradiação Global Horizontal 2.143,2 kWh/m2.ano
Temperatura de bulbo seco 26,1°
Velocidade do vento 1,6 m/s
Informações da
Localidade
Dados climatológicos
anuais
Irradiação Direta Normal (DNI)
40
Esses valores foram utilizados na simulação do SAM conforme a Figura 20.
Figura 21 – Escolha da Localidade no SAM
Fonte: Própria
4.1.2 Projeto do Sistema
A segunda parte da simulação, intitulada “System Design”, é responsável por
dimensionar o campo solar, determinando os parâmetros para definição da capacidade do
sistema. Nesta aba, são inseridos valores nominais, ou seja, valores iniciais da planta no
momento de planejamento do projeto, que serão alterados por outras condições e variáveis
ao longo da simulação. Os valores reais serão calculados pelo SAM e apresentados no
relatório com os resultados da simulação.
As características da planta que serão definidas aqui são relacionadas aos principais
subsistemas da planta, que são: Campo de Heliostatos, Torre e Receptor, Armazenamento
Térmico e Ciclo de Potência. Estes subsistemas são completamente dependentes e
precisam ser dimensionados com o mesmo objetivo no projeto. A Figura 21 abaixo mostra
como a aba é apresentada no SAM e como foram definidas cada uma das variáveis.
41
Figura 22 – Design do sistema no SAM
Fonte: Própria
1. DNI de projeto
A porção da radiação solar, chamada de irradiação solar direta normal (do inglês Direct
Normal Irradiance), chega à superfície terrestre em feixes paralelos, sem ser refletida ou
absorvida por partículas do ar, poeira ou nuvens. A irradiação DNI é usada para calcular
a superfície do campo solar requerida para que ele forneça o calor necessário para que o
bloco de potência opere a plena carga (SAM/NREL, 2017). A área de abertura dos
heliostatos é dimensionada a partir deste valor para poder operar o bloco de potência de
maneira mais otimizada.
Recomenda-se determinar essa irradiação de projeto um valor próximo à máxima
radiação direta incidente no ano (SAM/NREL, 2017). No entanto, uma recomendação
mais conservadora é determiná-la não como a radiação máxima no ano, e sim como a
média das máximas diárias (Malagueta, 2013). Dessa forma, é necessário analisar os
dados de DNI para a cidade de Bom Jesus da Lapa de maneira mais detalhada. A Figura
22 abaixo apresenta o comportamento da radiação direta normal.
42
Figura 23 – Estatísticas Mensais para Radiação Normal Direta
Fonte: (SAM/NREL, 2017)
Exportando-se os dados do SAM é possível montar o gráfico acima e, a partir disto,
visualizar os valores exatos das máximas diárias de DNI. Calculando a média dessas
máximas de DNI, é obtida uma irradiação de projeto de 768,93 W/m² para o município
de Bom Jesus da Lapa.
2. Potencial de saída da turbina
Como apresentado anteriormente, na seção 5.6, este modelo foi projetado para simular
uma planta CSP de pequeno porte, como as plantas desenvolvidas pela AORA e VAST.
A demanda de potência elétrica que esta planta de receptor central pretende atender é 1,1
MWe.
3. Eficiência do ciclo térmico
De acordo com o valor padrão do SAM para este tipo de tecnologia, 0,412 é a eficiência
de conversão de energia do ciclo (Filho, 2014).
43
4. Temperatura do HTF
Em uma planta de Torre solar de sal fundido, o sal é bombeado do tanque de
armazenamento frio em direção ao receptor a uma temperatura de aproximadamente
290°C (Filho, 2014). Este valor de temperatura também é considerado padrão pelo SAM,
para o HTF frio.
Já para o HTF quente, que é o sal aquecido depois de passar pelo receptor que recebe a
radiação solar concentrada, o valor utilizado nesta simulação será o mesmo da planta solar
Vast, devido à similaridade das duas plantas. Dessa forma, o valor para o HTF quente é
565°C (VastSolar, 2015).
5. Armazenamento térmico
O armazenamento térmico desta simulação será de 2 horas. O objetivo é aproveitar o sal
fundido que é utilizado como fluido de transferência de calor para armazenar o mínimo
de energia necessário para otimizar a planta. Mas ao mesmo tempo, sem utilizar muita
energia para manter esse sistema.
6. Múltiplo Solar
Como apresentado anteriormente, o MS é um parâmetro importante para otimizar tanto o
projeto da planta como a energia térmica necessária para assegurar que o bloco de
potência seja efetivamente utilizado durante todo o ano. Este parâmetro é a relação entre
o tamanho real do campo solar e aquele que seria necessário para alcançar a capacidade
elétrica do projeto, no momento de incidência da irradiação de projeto.
Sendo assim, a planta necessita de uma maior Múltiplo Solar (MS) pelo fato de armazenar
energia solar na forma térmica, a termoacumulação. Para uma planta com 7 horas de
acúmulo de energia térmica, um estudo recentemente realizado encontrou o MS de 2,3
(Kalbermatter, 2017). Porém, a planta aqui proposta possui uma termoacumulação de 2
horas. Logo, otimizou-se a planta, visando o MS que produzisse o máximo de energia
elétrica, sendo este o critério de otimização. Neste caso, encontrou-se o valor de 1,8, após
a simulação no SAM.
44
4.1.3 Heliostat Field (campo solar)
A aba “Heliostat Field” é responsável por dimensionar o campo solar. O software permite
que se mude uma série de parâmetros do campo como o raio, além de parâmetros dos
espelhos como, por exemplo, o grau de reflexão. O heliostato é o elemento principal dos
sistemas da Torre de concentração solar, representando cerca de 40% do custo total da
instalação (Filho, 2014). Ele é composto basicamente por uma superfície espelhada, uma
estrutura de suporte, mecanismos de movimentação e um sistema de controle com alto
nível de precisão. Sua função é coletar a radiação solar incidente e refleti-la em um
receptor localizado em uma torre no centro do campo solar.
O campo de heliostatos de uma planta Torre solar é composto, geralmente, por uma
grande quantidade de heliostatos individuais. Como a quantidade depende das dimensões
de cada heliostato e da capacidade do sistema solar térmico pretendido, nesta monografia
a planta projetada de pequeno porte terá o número e o tamanho de heliostatos
consideravelmente menores do que os verificados nas plantas de grande escala.
Dessa forma, os heliostatos serão projetados com base nas informações da planta Vast,
que possuem 3,6m x 3,6m de área (ASTRISymposium, 2015). Mas para obter uma
margem de segurança, os espelhos serão projetados com o tamanho 4m x 4m, resultando
em 16m² de área para cada heliostatos.
Outro fator importante desta planta é o fato de que os heliostatos estarão ao redor da
planta em um ângulo de 160°. Ou seja, como a planta é de pequeno porte, não terá
espelhos ao redor de toda a torre conforme as plantas de grande porte6, para as quais o
ângulo é de 360°.
Com o objetivo de aumentar o desempenho da planta, reduzindo essa quantidade de
perdas e escolhendo os melhores valores para os parâmetros de entrada do modelo, a
planta de heliostatos foi desenhada no software SolarPilot. As variáveis e o modelo de
simulação deste software são bem similares ao SAM, contudo, o resultado de projeção do
campo de heliostatos é mais específico.
6 A planta GemaSolar situada em Sevilla, na Espanha, é um exemplo de planta de grande porte, com
heliostatos ao redor da torre em um ângulo de 360°. A capacidade desta planta é de 17MW.
45
Realizando a simulação no SolarPilot utilizando todas as variáveis já definidas acima,
considerando Bom Jesus da Lapa como a localidade da planta, o campo de heliostatos (de
4m²) resultante é apresentado na Figura 24 abaixo:
Figura 24 – Campo de Heliostatos projetado no SolarPilot
Fonte: Elaboração Própria
Esta simulação do SolarPilot foi feita nos 365 dias do ano, portanto, está precisa o
suficiente e considera todas as diferenças possíveis de DNI. Além disso, para definir o
tamanho do campo foi utilizada uma das premissas da planta Vast, que é a distância entre
os espelhos e a torre ser menor do que 300m. Dessa forma, é garantido o maior
aproveitamento do espaço, excluindo a necessidade de utilizar terrenos muito grandes.
Como resultado desta simulação, este campo possui 1015 heliostatos, o que é um valor
relativamente superior aos 700 heliostatos utilizados na planta da Vast. Adicionalmente,
a eficiência de cada heliostato varia entre 32,4% e 87,1%, tendo como média 63,3%.
A Figura 25 abaixo apresenta como este resultado do campo foi inserido no SAM.
Algumas variáveis, como as atmosféricas e específicas de operação dos heliostatos, não
46
foram definidas neste projeto pois foram utilizados os valores padrão do programa,
aceitáveis para as plantas CSP.
Figura 25 – Campo de Heliostatos no SAM
Fonte: Elaboração Própria
47
4.1.4 Torre e Receptor
A próxima etapa da simulação é referente a Torre e o Receptor da planta CSP. O receptor
central é o dispositivo localizado no alto da torre, que recebe toda a radiação solar
refletida pelos heliostatos e a transforma em energia térmica, que é absorvida pelo HTF
através de um trocador de calor. A Torre é o suporte do receptor e deve ser projetada de
forma que garanta a altura ideal para o receptor, com o objetivo de minimizar o impacto
de sombras e bloqueios de luz solar que possam interferir na eficiência dos heliostatos.
Seguindo os parâmetros da planta Vast, a torre central terá altura de 30 metros (VastSolar,
2015). Já o receptor terá 4 metros de altura e 2 de diâmetro. O receptor projetado para
esta planta é cilíndrico externo, que acompanha os 160° de abertura dos heliostatos ao
redor da torre. A escolha deste tamanho derivou da otimização da planta e menor
necessidade de heliostatos de acordo com a simulação do Solar Pilot.
Figura 26 – Torre e Receptor no SAM
Fonte: Elaboração Própria
48
4.1.5 Ciclo de Potência
Esta aba é responsável pelos parâmetros referentes ao ciclo termodinâmico da planta,
como a capacidade da planta, o projeto do bloco de potência, o controle da planta e o
sistema de resfriamento. A conversão de energia térmica em energia elétrica é definida
aqui, no chamado bloco de potência, que através do ciclo Rankine, transmite a energia
térmica da radiação solar concentrada ao fluido de trabalho que gera vapor a alta pressão
e faz operar uma turbina acoplada a um gerador elétrico, produzindo eletricidade.
Nesta monografia, a pressão de 103 bar foi definida como a pressão de entrada da turbina,
de acordo com as especificações da turbina SST-150 no manual do fabricante (Siemens,
2017). No caso aqui analisado, o resfriamento a seco foi utilizado. Este tipo de
resfriamento utiliza o ar para resfriar a planta. Apesar de ser mais custoso e reduzir o salto
entálpico da turbina, foi escolhido devido à reduzida disponibilidade de água na região
(Milani R. , 2016).
Figura 27 – Bloco de Potência no SAM
Fonte: Elaboração Própria
49
4.1.6 Termoacumulação
A planta deste estudo possui o sistema de armazenamento de energia térmica do tipo
direto, pois o fluido de trabalho, sal fundido, é o mesmo que irá atuar no armazenamento
de energia, operando com um par de tanques frio e quente para o armazenamento térmico.
Sendo assim, o principal parâmetro desta aba é o número de horas de armazenamento,
que define o diâmetro do tanque e consequentemente o seu volume. Além disso, o sistema
que opera com sais fundidos necessita de trocadores de calor, e de um sistema de backup
devido à alta temperatura de fusão dos mesmos.
O tempo de armazenamento foi definido em 2 horas. Isto devido ao fato de o backup
principal desta planta, para as horas sem sol, ser o biogás. Desta forma a termoacumulação
projetada é um fator de segurança da planta, já que aproveita o mesmo fluido de
transferência de calor.
A temperatura do tanque quente foi definida como próxima à temperatura de saída do
campo solar, porém um pouco inferior, com uma margem de segurança de 4,5%,
resultando em 540°C. A temperatura do tanque frio foi utilizada a padrão do SAM, de
290°C.
Figura 28 – Armazenamento Térmico no SAM
Fonte: Elaboração Própria
50
4.2 Energia gerada pelo Biogás
A caldeira a biogás fornecerá o vapor nas condições de entrada da turbina antes
especificada, quando não houver geração de vapor no bloco solar. Trata-se, portanto, de
um circuito paralelo de vapor. O biogás foi produzido em um biodigestor. Para calcular a
quantidade de matéria-prima que a planta híbrida requer e avaliar a disponibilidade de
recurso (resíduo animal), conforme a quantidade de resíduos produzidos em Bom Jesus
da Lapa, é necessário analisar o ciclo termodinâmico da planta.
O biogás, após ser gerado no biodigestor, deve ser armazenado7. Do armazenamento, ele
segue para a caldeira, onde sofre a combustão, para prover vapor superaquecido à Turbina
SST-150 – ver esquema da Figura 29. Assume-se que não há perda de calor entre a
caldeira e a turbina. Nem tampouco considera-se a perda de pressão neste caso.
Figura 29 – Ciclo de potência da Planta CSP com backup de Biogás
Fonte: Elaboração própria
Para encontrar a quantidade de matéria orgânica necessária para o backup da planta CSP,
devem-se utilizar as condições de entrada e saída turbina. Estas condições são aquelas
verificadas no catálogo da turbina SST-150 escolhida na seção 3.3.3. Seguem abaixo os
dados das condições de trabalho da turbina que serão considerados nos cálculos deste
projeto:
7 Não será modelado neste estudo o armazenamento do biogás, mas é uma sugestão de análises em trabalhos
futuros.
51
T𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = T7 = 505°C
𝑃𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = P7 = 103 bar = 10.300 kPa
𝑃𝑆𝑎í𝑑𝑎 = 𝑃4 = 10 bar = 1.000 kPa
Através desses valores da turbina, dos resultados da simulação do SAM e da tabela de
propriedades termodinâmicas da água (Wylen, Borgnakke, & Sonntag, 2013), é possível
obter a vazão mássica do vapor na turbina. Conforme o ciclo Rankine descrito na seção
2.3.3, a equação termodinâmica para esta etapa do ciclo que passa pela Turbina é:
|w𝑇| = hentrada − hsaida = h7 − h4
Considerando as condições de entrada da turbina (505°C e 10.300 kPa), a entalpia e a
entropia do vapor no ponto 7 é:
h7 = 3.382,53 𝑘𝐽/𝑘𝑔
s7 = 6,5974 𝑘𝐽/𝑘𝑔 𝐾
Já para as condições de saída da turbina a 1.000 kPa, é necessário identificar a proporção
de vapor saturado do exausto. De acordo com a tabela de água saturada o valor da entropia
para cada estado é (Wylen, Borgnakke, & Sonntag, 2013):
s𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑠𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑑𝑜 𝑒𝑚 4 = s𝑙 4 = 2,1386 𝑘𝐽/𝑘𝑔 𝐾
s𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑠𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑑𝑜 𝑒𝑚 4 = s𝑣 4 = 6,5864 𝑘𝐽/𝑘𝑔 𝐾
O título do ponto 4 é referente a proporção de líquido saturado e vapor saturado do
exausto, será representado pela letra “x”. Dessa forma, considerando o processo
isentrópico:
s4 = s7 = 6,5974 𝑘𝐽/𝑘𝑔 𝐾
s4 = s𝑙 4 + 𝑥 ∗ s𝑣 4
𝑥 = 0,6770
52
Com o título do ponto 4 definido, a entalpia será calculada pela fórmula:
h4 = h𝑙 4 + 𝑥 ∗ h𝑣 4
De acordo com a tabela de água saturada o valor da entropia para cada estado é (Wylen,
Borgnakke, & Sonntag, 2013):
h𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑠𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑑𝑜 𝑒𝑚 4 = ℎ𝑙 4 = 762,79 𝑘𝐽/𝑘𝑔
h𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑠𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑑𝑜 𝑒𝑚 4 = h𝑣 4 = 2.778,08 𝑘𝐽/𝑘𝑔
h4 = 2.643,48 𝑘𝐽/𝑘𝑔
Agora, sabendo que a capacidade de geração de energia da turbina é 1,1MW,
considerando a eficiência isentrópica 90% (Wylen, Borgnakke, & Sonntag, 2013),
encontra-se a vazão mássica de vapor na entrada da turbina:
�̇�T = w𝑇 �̇�7 𝜂
1100 kW = 739,05 kJ/kg ∗ �̇�7 ∗ 0,9
�̇�7 =1100 𝑘𝑊
665,15 𝑘𝐽/𝑘𝑔
�̇�7 = 1,65 𝑘𝑔/𝑠
Após passar pela turbina, o vapor sai em forma de vapor saturado a pressão de 1.000 kPa
e passa pelo condensador. Neste ponto do condensador a pressão é constante. A saída do
condensador é líquido saturado:
h5 = 2.778,08 𝑘𝐽/𝑘𝑔
Este ponto também é considerado para as condições de entrada da bomba que transfere o
fluido até a caldeira. Sendo assim, a condição do ponto de entrada da bomba é pressão de
1.000 kPa e entalpia igual a 2.778,08 kJ/kg. Já para as condições de saída da bomba, deve
-se considerar a pressão na caldeira, que deve ser a mesma pressão utilizada na entrada
da turbina, 10.300 kPa, desconsiderando perdas de carga do sistema.
53
Dessa forma, a equação termodinâmica da bomba resulta em:
�̇�𝐵 = h𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑛𝑎 𝑐𝑎𝑙𝑑𝑒𝑖𝑟𝑎 − h𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑠𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑑𝑜 / 𝑠𝑎í𝑑𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠𝑎𝑑𝑜𝑟
�̇�𝐵 = h6 − h5
Convém ressaltar que, na bomba, o trabalho específico ainda pode ser estimado de uma
forma mais simples, já que o líquido é praticamente incompressível, isto é, o volume
específico 𝑣 é constante. Para as condições descritas acima, o volume específico de
entrada na bomba é 0,001127 m3/kg. Com isso, tem-se que na região de líquido, um
processo isentrópico é dado por:
�̇�𝐵 = 𝑣 𝑑𝑃 = 𝑑ℎ ⟹ ∆ℎ = ∫ 𝑣 𝑑𝑃𝑃6
𝑃5
h6 − h5 = 𝑣 (𝑃6 − 𝑃5)
h6 = 2778,08 + 0,001127 (10300 − 1000) 𝑘𝐽/𝑘𝑔
h6 = 2.788,56 𝑘𝐽/𝑘𝑔
Por fim, os pontos de entrada e saída da caldeira são encontrados, como descrito acima
são os pontos 6 e 7. A partir da entalpia destes pontos, considerou-se a eficiência da
caldeira de 85% (Wylen, Borgnakke, & Sonntag, 2013).
Para cálculo do Poder Calorífico do Biogás será considerada a análise realizada por
Bustani (Bustani, 2015). Para o presente estudo adotou-se uma concentração de 60% de
metano no biogás, levando em consideração o estudo da seção 2.2. O poder calorífico do
biogás depende da porcentagem de metano (CH4) nele existente. O metano puro, em
condições normais de temperatura e pressão (1,0 atm e 273K), possui um poder calorífico
de 9,96 kWh/Nm³, ao passo que o biogás com concentração de metano variando entre
50% e 80% tem um poder calorífico inferior de 4,95 a 7,9 kWh/ Nm³ (Bustani, 2015).
Levando em consideração uma concentração média de metano no biogás de 60%, tem-se
um PCI de 5,98 kWh/Nm³, que é equivalente a 21.528 kJ/Nm³.
54
Considerando a equação da continuidade para esta etapa é possível fazer o seguinte
balanço termodinâmico para calcular a quantidade de biogás que deve ser queimada
para a produção de energia na caldeira (Wylen, Borgnakke, & Sonntag, 2013):
∆h𝐶𝑎𝑙𝑑𝑒𝑖𝑟𝑎 ∗ �̇�3 = �̇�8 ∗ 𝑃𝐶𝐼𝐵𝑖𝑜𝑔á𝑠 ∗ 𝜂𝐶𝑎𝑙𝑑𝑒𝑖𝑟𝑎
(3.382,53 − 2.788,56 ) 𝑘𝐽/𝑘𝑔 ∗ 1,65 𝑘𝑔/𝑠 = �̇�8 ∗ 21.528 kJ/Nm3 ∗ 0,85
�̇�8 = 980,05 𝑘𝐽/𝑠
0,85 ∗ 21.528 kJ/m3
�̇�8 = 0,054 Nm3/𝑠
4.3 Resultados
Os resultados principais da simulação da Torre solar são resumidos na Tabela 8. Estes
são os resultados obtidos após a simulação realizada no SAM, representam a performance
anual da Torre solar considerando a termoacumulação de 2 horas.
Tabela 8 – Resultados da Planta Solar
Fonte: Elaboração própria
Também é possível obter pela simulação do SAM a energia produzida a cada hora do ano
pelo ciclo de potência, de acordo com a Figura 30 abaixo. Conclui-se que a geração é
satisfatória ao longo de todo o ano. Considerando que um ano tem 8.760 horas, os piores
momentos de geração são entre as horas 3mil-4 mil e 7mil-8 mil do ano, que são
equivalentes a abril maio, outubro, novembro e dezembro.
Métrica analizada Resultado
Energia Gerada por ano 1.524.677 kWh
Fator de Capacidade 17,6%
Consumo anual de água 819 m³
55
Figura 30 – Energia produzida pelo ciclo de potência ao longo do ano
Fonte: Elaboração própria, baseado em dados obtidos pela simulação no SAM
Os meses que obtiveram uma boa geração de energia correspondem ao período de julho
a setembro, que coincidem com o período seco nas usinas hidroelétricas da bacia do Rio
São Francisco (Lucena, 2010). Ou seja, esta planta pode ser utilizada na região semiárida
para as épocas de seca. Além disso, esses valores de energia produzidos estão de acordo
com o perfil de incidência de DNI em Bom Jesus da Lapa, conforme foi apresentado na
seção 4.1.2 deste estudo, na medida em que planta tem baixa capacidade de
termoacumulação.
Outro resultado importante é a análise da quantidade de energia gerada ao longo do dia.
A partir dos resultados do SAM é possível obter este perfil de energia diário em cada mês
do ano, de acordo com a Figura 31. Nesta análise pode-se observar o total de energia
elétrica produzida pela planta solar (já desconsiderando as perdas parasíticas) e sua
relação com o despacho de energia pelo sistema de termoacumulação (TES).
56
Figura 31 – Energia gerada diariamente, em cada mês do ano
Fonte: Elaboração própria, baseado em dados obtidos pela simulação no SAM
Ao analisar este resultado é possível perceber que a termoacumulação da planta CSP é
utilizada para complementar a energia solar no final do período de radiação. Em alguns
meses até supera as 2 horas definidas no projeto, pois a medida em que se opera a turbina
com uma capacidade menor do que a nominal, o sistema de termoacumulação é acionado.
É possível observar também que os meses que mais utilizam a TES e conseguem
acumular energia por longos períodos são aqueles em que a incidência de radiação solar
é elevada, de acordo com a Figura 22 deste estudo.
Em relação aos resultados obtidos para a hibridização da planta, conforme descrito na
seção 3.4, o sistema de biogás deve ser utilizado como backup da planta CSP quando a
radiação solar não estiver adequada para produção de energia, ou seja, durante a noite e
nos dias nublados.
57
A partir dos resultados obtidos na simulação do SAM, analisando os 365 dias de
simulação, a média diária de tempo de produção de energia pela planta CSP é de 6 horas8.
Considerando a necessidade de produção média de energia por 16 horas por dia (proposta
por este estudo), a caldeira a biogás deverá trabalhar durante 10 horas em média por dia.
Dessa forma, como a caldeira precisa de 193 Nm³ de biogás para cada hora de
funcionamento, o consumo de biogás na caldeira será de 1930 Nm³ por dia.
De acordo com o experimento da Universidade de Shahrekord descrito na seção 3.4, a
taxa de biogás produzido por quilo de resíduo animal é de 0,03 Nm³/kg (Shamsabadi,
Jahangiri, Faegh, & Dehkordi, 2016).
𝑄𝑢𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑠í𝑑𝑢𝑜 𝑎𝑛𝑖𝑚𝑎𝑙 = 1930 Nm³
0,03Nm³/kg
𝑄𝑢𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑠í𝑑𝑢𝑜 𝑎𝑛𝑖𝑚𝑎𝑙 = 64.333 𝑘𝑔/dia
Considerando que a quantidade de resíduo produzido por cada cabeça de gado é igual a
32,6 kg/dia, será necessário um rebanho de gado com 1973 animais. Isso representa 3%
do rebanho total de Bom Jesus da Lapa, o que torna o sistema viável.
8 Este valor é a média de tempo (período) em que a planta CSP gera energia elétrica diariamente na
simulação realizada no SAM.
58
5 Conclusão
Este estudo mostrou que é possível tecnicamente implementar plantas híbridas CSP com
uso de Torre solar e biogás no Brasil. O biogás é obtido a partir de resíduos de bovinos
que integram a agropecuária da cidade de Bom Jesus da Lapa. Os resultados mostraram
que para a geração de 1,1 MWe de energia na planta de biogás, durante 10 horas por dia,
é necessária a utilização de apenas 3% do rebanho da região.
A planta seria capaz de gerar 15,84 MWh/dia, o que é equivalente a 5,8GWh/ano.
Considerando o consumo residencial de eletricidade na Bahia de 6.889GWh (EPE, 2017)
e um número de residências no estado igual a 5.164.000 (EPE, 2017), chega-se ao
consumo médio anual de 1,3 MWh/residência.
Assumindo-se uma média de 2 pessoas por residência e um total de 69.148 habitantes em
Bom Jesus da Lapa (IBGE, 2019), é possível aferir que a quantidade de residências é de
34.574. Estima-se então que o município tem um consumo de 44.9 GWh anual,
equivalente a 123,1 MWh em média diária. Neste sentido, a planta seria capaz de atender
a 13% da demanda residencial da cidade de Bom Jesus da Lapa, atestando a viabilidade
técnica do estudo.
Como propostas de trabalhos futuros as recomenda-se analisar as variantes no ciclo
térmico. Neste estudo foi utilizado apenas o ciclo Rankine, mas pode ser utilizado o ciclo
Brayton, desde que o biogás seja purificado ao sair do biodigestor. Também pode ser
estudado um ciclo combinado, com a planta CSP utilizando o ciclo Rankine e o biogás o
ciclo Brayton. Além disso, existe a possibilidade de integração da turbina com o
biodigestor, para que a extração de vapor na turbina auxilie no controle de temperatura
do biodigestor.
Em relação ao combustível utilizado como backup do CSP, podem ser consideradas
diferentes origens para o biometano que é tratado no biodigestor. Neste estudo foram
utilizados resíduos da pecuária bovina, mas isto pode ser substituído por resíduos
agrícolas, resíduos de esgoto, resíduos sólidos urbanos e até mesmo efluentes líquidos.
Visto que na planta projetada a combustão do gás é realizada na caldeira, não há
necessidade de alta especificação e pureza do combustível.
59
A análise econômica também é um outro ponto que pode ser endereçado para
complementar este estudo. O cálculo do custo nivelado de energia9 pode ser realizado
para verificação da viabilidade econômica da planta projetada. Ademais, é possível
otimizar o múltiplo solar com o objetivo de obter um melhor valor do custo nivelado de
energia.
Recomenda-se também o estudo detalhado da planta de biogás, no sentido de analisar o
armazenamento, transporte e limpeza dos resíduos orgânicos. Além disso, analisando a
geração de energia elétrica pelo sistema de biogás e pela termoacumulação, seria possível
encontrar a relação ótima desses componentes.
Por fim, é valido ressaltar a necessidade de P&D nesse tipo de tecnologia no Brasil, uma
vez que o país tem excelente índices de DNI, como mostrado no capítulo 2.
9 O custo nivelado de energia (LCOE) é a proporção entre os custos totais ao longo da vida econômica da
planta e geração esperada, em termos de valor presente equivalente.
60
6 Referências Bibliográficas
Affandi, R., Ghania, M. R., Ghana, C. K., & Phenga, L. G. (2015). The Impact of the
Solar Irradiation, Collector and the Receiver to the Receiver Losses in Parabolic Dish
System.
Alves, J. W. (2000). Diagnóstico técnico institucional da recuperação e uso energético
do biogás gerado pela digestão anaeróbia de resíduos.
Antônio, A. d., Filho, D. O., & Silva, S. C. (2018). Electricity generation from biogas on
swine farm considering the regulation of distributed energy generation in brazil: a case
study for Minas Gerais.
Araújo, A. V., Feroldi, M., & Urio, M. B. (2014). USO DE BIOGÁS EM MÁQUINAS
TÉRMICAS.
ASTRISymposium. (2015). Commercially Sustainable CSP Scalable, High Efficiency,
Low Cost. VastSolar .
Balanço Energético Nacional - EPE. (2018). Balanço Energético Nacional (ano base
2017). Rio de Janeiro: EPE.
Burgi, A. S. (2013). Avaliação do potencial técnico de geração elétrica termossolar no
brasil a partir de modelagem em sig e simulação de plantas virtuais.
Bustani, V. (2015). ANÁLISE DE VIABILIDADE ECONÔMICA E ESCALA MÍNIMA DE
USO DO BIOGÁS DE REATORES ANAERÓBIOS EM ESTAÇÕES DE TRATAMENTO
DE ESGOTO NO BRASIL.
CEPEL. (2000). Atlas Solarimétrico do Brasil.
EMBRAPA. (01 de 09 de 2016). Produção Agropecuária. Fonte: Empresa Brasileira de
Pesquisa Agropecuária: https://www.embrapa.br/macrologistica/producao-agropecuaria
EPE. (2017). Plano Decenal de Expansão de Energia 2026 . Ministério de Minas e
Energia.
EPE. (2018). Energy Expansion Plan: Perspectives for renewables in Brazil. Luiz
Barroso.
61
Filho, C. M. (2014). Metodologia para estudo de implantação de uma usina heliotérmica
de receptor central no Brasil. Rio de Janeiro.
Galvão, R. R. (2017). O BIOGÁS DO AGRONEGÓCIO: TRANSFORMANDO O
PASSIVO AMBIENTAL EM ATIVO ENERGÉTICO E AUMENTANDO A
COMPETITIVIDADE DO SETOR. FGV.
HelioCSP. (2012). Aora ‘tulip’ sprouting concentrating solar energy in Spain.
(http://helioscsp.com/aora-tulip-sprouting-concentrating-solar-energy-in-spain/) .
HeliosCSP. (2016). Solar Thermal Energy News, http://helioscsp.com/micro-csp-
concentrated-solar-power/ - Acessado em 04/06/2019.
IBGE. (02 de 09 de 2019). IBGE Cidades. Fonte: Instituto Brasileiro de Geografia e
Estatística: https://cidades.ibge.gov.br/brasil/ba/bom-jesus-da-lapa/pesquisa/18/16459
IEA. (2014). Technology Roadmap - Solar Thermal Electricity.
IEA. (2018). Renewables 2018 - Market analysis and forecast from 2018 to 2023.
IPCC. (2017). Special Report on climate change, desertification, land degradation,
sustainable land management, food security, and greenhouse gas fluxes in terrestrial
ecosystems (SR2). Intergovernmental Panel on Climate Change.
IRENA. (2019). Solutions to integrate high shares of variable Renewable Energy.
Kalbermatter, J. M. (2017). Avaliação de um sistema híbrido de concentração solar
(fotovoltaico e térmico) para geração de eletricidade no semiárido brasileiro. Rio de
Janeiro.
Kalogirou, S. A. (2009). Solar Energy Engineering: Processes and Systems. Londres:
Academic Press.
LandGem/EPA. (2005). Landfill Gas Emissions Model (LandGEM) - Version 3.02 User's
Guide. Washington: U.S. Environmental Protection Agency.
Lantz, M., Svensson, M., Björnsson, L., & Börjesson, P. (2006). The prospects for an
expansion of biogas systems in Sweden-Incentives, barriers and potentials (Vol. v. 35).
Energy Policy.
62
Lucena, A. F. (2010). PROPOSTA METODOLÓGICA PARA AVALIAÇÃO DA
VULNERABILIDADE ÀS MUDANÇAS CLIMÁTICAS GLOBAIS NO SETOR
HIDROELÉTRICO.
Malagueta, D. C. (2013). Avaliação de Alternativas para Introdução da Geração Elétrica
Termossolar na Matriz Energética Brasileira. Rio de Janeiro: UFRJ/ COPPE.
Mantilla, V. A. (2017). AVALIAÇÃO TÉCNICA-ECONÔMICA DAS TECNOLOGIAS
DE GERAÇÃO HELIOTÉRMICA PARA O CASO BRASILEIRO, CONSIDERANDO
SISTEMAS DE ARMAZENAMENTO TÉRMICO E HIBRIDIZAÇÃO. UNIVERSIDADE
FEDERAL DE ITAJUBÁ.
Mehos, M., Turchi, C., & Judith Vidal. (2017). Concentrating Solar Power Gen3
Demonstration Roadmap. NREL.
Milani, R. (2016). HIBRIDIZAÇÃO DE ENERGIA HELIOTÉRMICA COM
GASEIFICAÇÃO DE BIOMASSA PARA GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA. Rio de
Janeiro: COPPE.
Morrison, G., & Rosengarten, G. (2011). Solar Thermal Energy Design, pag. 35 - 42.
UNSW.
ODS/IPEA. (2018). Metas Nacionais dos Objetivos de Desenvolvimento Sustentável.
IPEA.
Oliveira, R. D. (2009). Geração de energia elétrica a partir do biogás produzido pela
fermentação anaeróbia de dejetos em abatedouros e as possibilidades no mercado de
carbono.
Pereira, M. S., Godoy, T. P., Godoy, L. P., Bueno, W. P., & Wegner, R. d. (2015).
Energias renováveis: biogás e energia elétrica provenientes de resíduos de suinocultura
e bovinocultura na UFSM.
PERSSON, M., JÖNSSON, O., & WELLINGER, A. (2006). Biogas upgrading to vehicle
fuel standards and grid injection. IEA Bioenergy.
PRATI, L. (2010). GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA A PARTIR DO BIOGÁS
GERADO POR BIODIGESTORES.
Rohstoffe, F. N. (2010). Guia Prático do Biogás.
63
SAM/NREL. (2017). System Advisor Model (SAM).
Sandia National Laboratories, N. (2016). Advancing Concentrating Solar Power
Technology, Performance, and Dispatchability. U.S. Department of Energy.
Seadi, T. A., Rutz, D., Prassl, H., Köttner, M., Finsterwalder, T., Volk, S., & Janssen, R.
(2008). Biogas Handbook. University of Southern Denmark Esbjerg.
SEAGRI. (2018). Agronegócio na Bahia - Plantar colher e alimentar bons resultados.
Secretaria da Agricultura, Pecuária, Irrigação, Pesca e Aquicultura.
Shamsabadi, A. A., Jahangiri, M., Faegh, A. K., & Dehkordi, A. R. (2016). Biogas
production in a dairy cow unit to provide a sustainable solution for reducing the
environmental pollutions and pathogens. International Energy Conference.
Siemens. (2017). Siemens steam turbine portfolio - Efficiency: More value to your
facility.
SIEMENS. (2019). Solar power night and day- Dispatchable power made available by
industrial steam turbines. Disponível em :
https://new.siemens.com/global/en/products/energy/power-generation/steam-
turbines/concentrated-solar-power. Acesso em maio/2019.
Soria, R. A. (2011). Cenários de geração de eletricidade a partir de geradores
heliotérmicos no brasil: a influência do armazenamento de calor e da hibridização.
Soria, R., Pereira, J. P., Szklo, A., Milani, R., & Schaeffer, R. (2015). Hybrid
concentrated solar power (CSP)–biomass plants in a semiarid region: A strategy for CSP
deployment in Brazil.
Tavares, R. F. (2014). GERAÇÃO HELIOTÉRMICA: AVALIAÇÃO DO IMPACTO DA
UTILIZAÇÃO DE NOVOS FLUIDOS NO CUSTO DA ENERGIA GERADA.
Teodorita Al Seadi, D. R. (2008). Biogas Handbook. BiG>East project.
Teske, S. (2019). Achieving the Paris Climate Agreement Goals. Sydney: Springer Open.
Uribe-Tori, J., Ruiz-Real, J. L., Milán-García, J., & Valenciano, J. d. (2019). Energy,
Economy, and Environment: A Worldwide Research Update.
VastSolar. (2015). Low cost, scalable, high efficiency CSP, with integrated energy
storage. Sydney: Australian Energy Storage Conference.
64
VastSolar. (2018). Jemalong CSP Pilot Plant – 1.1MWe; https://vastsolar.com/portfolio-
items/jemalong-solar-station-pilot-1-1mwe/ (Acessado em 05/05/2019).
Viviescas, C., Lima, L., Diuana, F. A., Vasquez, E., Ludovique, C., Silva, G. N., . . .
Paredes, J. R. (2019). Contribution of Variable Renewable Energy to increase energy
security in Latin America: Complementarity and climate change impacts on wind and
solar resources.
WAGNER, M., & GILMA, P. (2011). Technical Manual for the SAM Physical Trough
Model. NREL.
Wylen, V., Borgnakke, C., & Sonntag, R. (2013). Fundamentos da Termodinâmica.
Blucher.
Zanette, A. L. (2009). POTENCIAL DE APROVEITAMENTO ENERGÉTICO DO
BIOGÁS NO BRASIL.