CUSTOS DA GASEIFICAÇÃO DE GRAMÍNEA PARA ELETRIFICAÇÃO RURAL

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1 CUSTOS D GSEIFICÇÃO DE GRMÍNE PR ELETRIFICÇÃO RURL Ms. Marcelo Côrtes Ferades Prof.Dr. Caio Glauco Sáchez Eg o Mario Barriga gulo Departameto de Egeharia Térmica e de Fluidos Faculdade de Egeharia Mecâica, UNICMP Caixa Postal CEP Campias-SP Tel: (019) fax: (019) RESUMO gaseificação da biomassa se apreseta como uma alterativa sustetável para geração de eergia, com baixa emissão de poluetes e permitido, o ciclo global de crescimeto e cosumo (queima) dos vegetais, um equilíbrio etre cosumo e produção de gás carbôico. gaseificação em leito fluidizado é uma forma de aumetar a eficiêcia do uso eergético da biomassa. Foi projetado e costruído um gaseificador de leito fluidizado de 400 mm de diâmetro itero e altura total de mm, alimetado biomassa a 100 kg/h. Com os dados de projeto, foi dimesioado um grupo-gerador diesel para operar em regime híbrido, com 70% gás de biomassa e 30% diesel. Com os custos de costrução do equipameto, pôde-se fazer uma primeira aálise da viabilidade ecoômica da plata-piloto, para gerar eletricidade por gaseificação de gramíea (capimelefate) em comuidades rurais. Foi estimado o custo aual do ivestimeto. O custo da eletricidade produzida foi calculado em fução do custo de capital e em fução do preço do diesel. São apresetados a metodologia e o equacioameto de aálise ecoômica. O presete estudo ecotrou valores para o custo da eletricidade produzida etre 0,16 e 0,23 R$/ kwh, o que apota a viabilidade do projeto como alterativa para eletrificação rural. BSTRCT Biomass gasificatio is a sustaiable optio for eergy supply, which presets low pollutats emissio rate ad allows through the global cycle of growig ad cosumptio of feedstock (vegetables), a balace betwee cosumptio ad productio of carboic gas, prevetig a icrease of the carboic gas levels i the atmosphere. Fluidized bed gasificatio is a meas to icrease the eergetic use of biomass. gasifier was built with iteral diameter of 400mm ad total height of 4600mm. The equipmet was tested for gasificatio of elephat-grass (peisetum purpureum) at a 100 kg/h rate. It was evaluated a adequate diesel-electric-geerator to work at hybrid regime, usig 70% biomass gas ad 30% diesel. With the equipmet s costructio costs, could be made a first ecoomic feasibility assessmet o the pilot-plat to produce electricity by grass gasificatio (elephat-grass) at rural commuities. The aual cost of the ivestmet was estimated. The cost of electricity was calculated as a fuctio of the capital cost ad the diesel price. The methods ad equatios for ecoomic assessmet are preseted. This study foud values betwee 0,16 ad 0,23 R$/kWh for the produced electricity, what poits towards the feasibility of this project.

2 INTRODUÇÃO humaidade vive um mometo crítico em sua história. O padrão de desevolvimeto de ossa civilização exigiu um alto cosumo dos recursos eergéticos do plaeta. produção de bes e coforto para o ser humao polui itesamete a Terra, prejudicado a qualidade de vida das espécies existetes. Surge etão a ecessidade de se remodelar o paradigma tecológico e social da ossa civilização. Firma-se com a Coferêcia das Nações Uidas para o Meio mbiete e Desevolvimeto, em 1992, o coceito de Desevolvimeto Sustetável. s propostas de desevolvimeto sustetável trazem alterativas para o desevolvimeto socio-ecoômico das populações humaas presetes e futuras, sem que haja um esgotameto de recursos aturais ou queda os padrões de qualidade de vida devido à degradação ambietal. Hoje, etre os vários temas da questão, buscase o desevolvimeto de tecologias sustetáveis para geração de eergia. Estas tecologias buscam uma alterativa para o petróleo como pricipal fote eergética da ossa civilização. Como em o petróleo em o carvão mieral são reováveis, buscam-se alterativas para suprir a demada eergética futura de ossa sociedade. busca ão se focaliza em um úico substituto para o petróleo, mas sim a possibilidade de coexistirem várias fotes alterativas, propodo até a mudaça do atual paradigma tecológico e eergético. Isto sigifica que começam a se mostrar ecoomicamete viáveis propostas como: cogeração eergética, geração descetralizada de eergia elétrica, pequeas cetrais geradoras, combustíveis reováveis e até mesmo fotes de forecimeto irregular como a eergia eólica e a coversão de eergia solar por células fotovoltáicas. gaseificação da biomassa se apreseta como uma alterativa sustetável para geração de eergia, com baixa emissão de poluetes e permitido, o ciclo global de crescimeto e cosumo (queima) dos vegetais, um equilíbrio etre cosumo e produção de gás carbôico. redução da produção de gás carbôico a geração eergética é fudametal para cotrolar a poluição atmosférica e o aquecimeto global. Por isto pode se dizer que a própria tecologia da gaseificação da biomassa é uma forma de cotrole, ou melhor, de preveção da poluição. tualmete estão em adameto vários projetos visado o desevolvimeto de sistemas de cogeração com gaseificação e turbias a gás, utilizado a biomassa como combustível. gaseificação é defiida como a coversão da biomassa, ou de qualquer combustível sólido (o carvão, por exemplo), em um gás combustível, por meio da queima parcial da biomassa. dissemiação da utilização da biomassa como fote de eergia traria várias vatages. Ela poderia permitir o desevolvimeto rural e o aumeto do emprego de mão-de-obra em países subdesevolvidos. geração de eergia pela biomassa poderia sustetar o desevolvimeto rural e o aumeto de empregos os países em desevolvimeto, atuado para miimizar ou iverter o êxodo rural. Para que isto ocorra, seria ecessária uma política goverametal de icetivos e divulgação da tecologia, para torá-la cohecida e atrativa aos olhos da iiciativa privada [Ferades, 2000]. EQUIPMENTO Os experimetos foram realizados o gaseificador projetado e costruído pelo Laboratório de Combustíveis e Combustão do Departameto de Egeharia Térmica e de Fluidos da Faculdade de Egeharia Mecâica, UNICMP. O reator foi projetado para gaseificar 100kg/h de biomassa, com altura de leito etre 1,0 e 2,0 m. velocidade de ar de fluidização foi defiida em projeto como aproximadamete 1,0 m/s. O equipameto é costituído por um tubo de 920 mm de diâmetro extero, costruído de aço carboo 1020 e revestido iteramete por uma camada de tijolos refratários de 60 mm de espessura e de uma camada de mata de cerâmica refratária de 200 mm de espessura, servido esta de isolameto extero ao tijolo. O diâmetro itero do reator é 400 mm. altura total do reator é mm. Na zoa do freeboard o reator é isolado com lã mieral, com diâmetro itero de 520 mm. Tijolos refratários são ecessários apeas a parte iferior do reator, devido aos esforços de cisalhameto pela fricção do leito fluidizado cotra o revestimeto itero do tubo e pela temperatura mais alta alcaçada esta região do reator. biomassa é itroduzida o reator por um silo dotado de dois cojutos de roscas trasportadoras

3 (roscas sem-fim) - um pete de roscas dosadoras seguido por uma rosca alimetadora úica. rosca alimetadora é refrigerada iteramete com água e sua velocidade é cotrolada por um moto-variador. O pete de roscas, cotrolado por outro moto-variador, dosa a quatidade de biomassa a ser eviada ao leito pela rosca alimetadora. O desevolvimeto do silo de alimetação foi objeto de tese, defedida esta faculdade por Neiva [1998]. Um dos fatores críticos da alimetação de gramíeas e outras biomassas fibrosas é sua compactação, formado arcos o silo, ficado a rosca a girar o vazio [SÁNCHEZ, 1994; NEIV, 1998]. O silo de alimetação tem capacidade suficiete para garatir a operação do reator por 1 hora. recarga do mesmo deverá ocorrer ates do seu esvaziameto total, para impedir a etrada de ar em excesso o leito. biomassa atua também como selo, reforçado pela pressão positiva o silo de combustível. pressão positiva requer porém boa vedação, para evitar que os gases resultates escapem para o ambiete do laboratório. Logo após cada recarga - que deve ser feita rapidamete pela razão acima citada -, será ecessário esperar a estabilização da temperatura do reator. O programa de aquisição de dados Strawberry Tree armazea o micro-computador as codições de temperatura do leito, do ar e da água, e da vazão de ar, do gás de pré-aquecimeto e da água do sistema de resfriameto. Como iterface, é utilizada uma placa eletrôica tipo CPC 16-16, com 32 caais aalógicos (16 de etrada e 16 de saída), coectada a termiais que permitem a ligação dos termopares e dos medidores de pressão e de vazão de água e de ar. Foram colocados termopares, tipo K, ao logo da altura do gaseificador, para medida da sua temperatura itera. Medido a temperatura do gás, a etrada e a saída do cicloe, foram utilizados termopares tipo K, também coectados ao sistema iformatizado de aquisição de dados. Resultados experimetais de gaseificadores precedetes a este em estudo [Sáchez, 1994; Behaie, 1999] idicam que se pode esperar uma eficiêcia a frio de, pelo meos, 40% o processo. Este valor será utilizado a aálise ecoômica. Figura 1. Reator. NÁLISE ECONÔMIC Este estudo aalisa a viabilidade de operar o grupo gerador de maeira híbrida, misturado 70% gás

4 de biomassa e 30% diesel. Para isto, ao grupo gerador seria acoplado um gaseificador de biomassa, utilizado o capim-elefate como matéria-prima. Com os dados obtidos da aálise técica, foi dimesioado um grupo-gerador para ser acoplado ao gaseificador. Os custos da costrução, operação e mauteção de tal plata-piloto foram levatados e foi feita uma aálise da viabilidade ecoômica do projeto para diversos ceários. O uso de um motor diesel, operado de maeira híbrida é apresetado a literatura [MUKUND, 1992; FERNNDES et SÁNCHEZ, 1999]. Como a eergia de ativação dos compoetes combustível do gás produto (CH 4 e CO) é alta, tora-se ecessária fagulha para ativar a combustão. Tal fagulha é forecida o ciclo diesel pela igição do diesel presete a mistura. opção diesel a literatura ocorre porque, fora do Brasil, são produzidos comercialmete apeas grupogeradores a diesel. Somete aqui há opção para gasolia e álcool. Fluxo de Caixa Costrução de uma liha de tempo ode as despesas e ivestimetos são simbolizados como setas para baixo (valores egativos) e as receitas e ecoomias são simbolizadas como setas para cima (valores positivos). Determia-se desta forma os custos auais de operação (mão-de-obra + isumos + combustíveis), mauteção e ivestimeto; e as receitas ou ecoomias auais obtidas. otação utilizada é de "fial-de-período", ou seja, os fluxos de caixa são cosiderados como ocorredo o fial de cada ao. O ivestimeto iicial ocorre o ao zero. Valor Presete (VP) Cosiderado o valor temporal do diheiro, tem-se de corrigir os valores futuros (VF) para seu valor presete (VP), distate períodos de tempo, aplicado uma taxa de retoro de capital (ou custo de capital) i. Reorgaizado-se a equação podemos ecotrar o valor futuro de um dado valor presete. EQUCIONMENTO ECONÔMICO Valor Temporal do Capital Em aálises ecoômicas, o ivestidor (ou cosumidor) sempre está diate de opções de como, quado e ode aplicar recursos (diheiro, mão-deobra, compra e veda de bes, uso do tempo, uso de recursos aturais, etc.). Uma família pesaria, por exemplo, se deveria alocar seus recursos para comprar uma ova máquia de lavar roupa ou, etão, alocá-los em uma poupaça ou em fudos de ivestimeto. Nos meios produtivos, o diheiro passa a se chamar capital e possui a capacidade de ser alocado para se multiplicar, produzido mais recursos. Desta forma, uma certa quatia de diheiro deve ter um valor diferete, se utilizado já o mometo presete para produzir mais capital ou se guardado para uso em um mometo futuro. Como o ivestidor espera um retoro (multiplicação do capital) em um mometo futuro, surgiu o coceito de taxa de retoro, custo de capital ou juros ( i ). O ivestidor pode emprestar seu capital, esperado o retoro a forma de juros, ou etão pode ivesti-lo o setor produtivo, esperado o retoro a forma de lucros. VP VF = (1) (1+ Valor Presete Líquido (VPL) Somam-se os VP positivos (receitas e ecoomias) e egativos (despesas e ivestimetos). Desta forma pode-se avaliar se, sob um determiado custo de capital, o ivestimeto presete e as despesas futuras são pagos pelas receitas e ecoomias futuras. VPL > 0 => ivestimeto vatajoso VPL < 0 => ivestimeto ecoomicamete desvatajoso ualidades costates (séries auais uiformes) Fluxos de caixa que se repetem costates a cada ao podem ter seu VP calculado por meio da soma de uma progressão geométrica. De outra forma, podemos ecotrar as aualidades equivaletes a um determiado ivestimeto iicial, aplicado a mesma fórmula. VP = = (2) (1+ 2 t (1+ (1+ t= 1 (1+

5 = ( 1+ 1 ( ) i 1+ i VP (3) Taxa Itera de Retoro Pode-se também calcular o i para que VPL = 0, ou seja, qual o retoro fiaceiro sobre o capital ivestido. Neste caso, costuma-se chamar o i de "Taxa Itera de Retoro". Ele é calculado, a partir das equações acima, de duas formas: método iterativo por tabelas; ou por uso de calculadoras ou computadores. Tempo de Retoro do Ivestimeto Seguido o raciocíio do cálculo da taxa itera de retoro, pode-se calcular o tempo de retoro do ivestimeto iicial para uma esperada taxa i. Este tempo represeta o mometo quado, sob uma taxa esperada, o VPL=0 ou, como se diz a liguagem cotidiaa, "paga-se o ivestimeto ". Escolha etre ivestimetos mutuamete excludetes - Método VPL: escolha do maior valor (ou meor custo); - Método dos Equivaletes uais (trasforma-se o VP do ivestimeto em aualidades) - ivest = VP i( 1+ ( ) 1+ i 1 (4) Custo ual: C = ivest + OM + amb (5) Sedo OM o custo aual de operação e mauteção (icluido isumos e mão-de-obra) e amb o custo dos impactos ambietais. O custo ambietal pode ser egativo, caso seja um projeto que comparativamete reduza os daos ambietais. Opta-se pelo meor Custo ual. Método de aálise 1. Levatameto dos custos da plata piloto; 2. Escolha dos ceários (vida útil do equipameto, custo de capital, úmero de horas em operação, preços do combustível); 3. Cálculo do C para os ceários escolhidos; 4. Cálculo do custo da eletricidade para os ceários escolhidos; RESULTDOS Na figura 2 pode-se ver o custo da eletricidade em fução do custo do diesel, para 3 ceários de taxas iteras de retoro diferetes. Na figura 3 pode-se ver a ifluêcia do custo do equipameto o custo da eletricidade. Foram tabelados custos de eletricidade em fução do custo do diesel, cosiderado variações em 10% do custo do equipameto (90%, 100% e 110% do custo do equipameto respectivamete Equip09, Equip10 e Equip11, a legeda). CONCLUSÕES Os resultados ecoômicos mostram-se favoráveis quado vistos sob o atual ceário brasileiro. tarifa residecial da CPFL era de 0,17859 R$/kWh em fevereiro de O presete estudo ecotrou valores para o custo da eletricidade produzida etre 0,165 e 0,225 R$/kWh, o que idica a viabilidade do projeto como alterativa para eletrificação rural. pesar de mostrar-se como alterativa viável, a gaseificação de biomassa por ser uma tecologia ova - ecessitaria de políticas goverametais de divulgação e icetivo, para sua aceitação pela iiciativa privada. Custo da eletricidade Ye = C/E (6) ode E = eergia produzida por ao.

6 0,23 0,22 0,21 i5 i10 i15 Ye [R$/kWh] 0,20 0,19 0,18 0,17 0,16 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 0,85 Custo do Diesel [R$/l] Figura 2 - Custo da eletricidade em fução do custo do diesel, para 3 taxas iteras de retoro. 0,23 Equip09 Equip10 0,22 Equip11 0,21 Ye [R$/kWh] 0,20 0,19 0,18 0,17 0,16 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 0,85 Custo do Diesel [R$/l] Figura 3 - Variação do custo da eletricidade em relação ao custo do equipameto (vida útil 10 aos, i = 10%).

7 PLVRS CHVES: Biomassa -- gaseificação; gaseificadores; eletrificação rural; viabilidade ecoômica; egeharia ecoômica. GRDECIMENTOS Este trabalho foi possível graças aos auxílios das seguites istituições: IPT (Istituto de Pesquisas Tecológicas); Istituto de Zootecia; FINEP e CPES. Um agradecimeto especial hora os técicos do Laboratório de Combustíveis e Combustão da FEM, Uicamp, sem cuja ajuda este trabalho ão sairia da teoria. REFERÊNCIS [1] FERNNDES, M.C. valiação Teco-ecoômica da Gaseificação do Capim-elefate para Eletrificação Rural, Dissertação de Mestrado, Faculdade de Egeharia Mecâica, UNICMP. Campias, [2] NEIV,.C.B. Estudo de alimetadores de Bagaço de Caa para Reatores tmosféricos, Dissertação de Mestrado, Faculdade de Egeharia Mecâica, UNICMP. Campias, [3] SÁNCHEZ, C.G. Estudo da volatilização e da gaseificação de biomassa em leito fluidizado, Tese de Doutorado, Faculdade de Egeharia Mecâica, UNICMP. Campias, [4] BEHINNE, J.J.C. Dimiuição de H 2S a gaseificação de carvão mieral mediate adição de dolomita em reator de leito fluidizado. Tese de Mestrado, Faculdade de Egeharia Mecâica, UNICMP. Campias, [5] MUKUND, H.S., DSPP, S., SHRINIVS, U. Opetop Wood Gasifiers. I: JOHNSSON, T.B., et al. Reewable Eergy Sources for Fuels ad Electricity. Lodo: Earthsca, Cap.16, p [6] FERNNDES, M.C., SÁNCHEZ, C.G. Ecoomic Viability of a Biomass Gasificatio Power Plat for Rural Electrificatio. I: Cleair V - fifth iteratioal coferece o techologies ad combustio for a clea eviromet,.lisboa. July, 1999.