Proposta de Projeto PIBIC

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Roberto Andrade Valente
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Prpsta de Prjet PIBIC Revisã e simulaçã de sistemas de cicls de cgeraçã cm diferentes alternativas de mtres térmics primáris integrads à Birrefinaria Virtual de Cana-de-açúcar (BVC) d Labratóri

1 Prpsta de Prjet PIBIC Revisã e simulaçã de sistemas de cicls de cgeraçã cm diferentes alternativas de mtres térmics primáris integrads à Birrefinaria Virtual de Cana-de-açúcar (BVC) d Labratóri Nacinal de Ciência e Tecnlgia d Bietanl (CTBE) Pesquisadra respnsável: Dr. Edgard Olivares Gómez Pesquisadr crrespnsável: Dra. Mylene Cristina Alves Ferreira Rezende Unidade d CNPEM: Prgrama de Avaliaçã Tecnlógica (PAT) d Labratóri Nacinal de Ciência e Tecnlgia d Bietanl (CTBE). Campinas, Mai de 2014.

(CTBE) Pesquisadra respnsável: Dr. Edgard Olivares Gómez Pesquisadr crrespnsável: Dra.

2 Intrduçã e Síntese d Estad da Arte Cm passar ds ans, nvs desenvlviments e tecnlgias nas áreas relacinadas cm a cnversã de energia, us de resídus e de fntes renváveis, limpas e sustentáveis têm sid cnsiderads (MAPA, 2009). Alguns autres se referem a este fenômen cm uma revluçã energética u terceira revluçã industrial e, neste cas, Brasil recebe atençã especial na prduçã de agrenergia, principalmente relacinada à indústria sucrenergética da cana-deaçúcar, pis é cnsiderad cm mair prdutr mundial desta cultura (CONAB, 2013). Segund Tlmasquim (2004), a segurança energética elétrica n Brasil está relacinada às diversas fntes de energia. Segund mesm autr, esta diversificaçã das fntes de energia elétrica brasileira pde frnecer desde pequena ptência elétrica até grandes ptências elétricas prvenientes de recurss renváveis n país, particularmente a cgeraçã prveniente da indústria de cana-de-açúcar. Atualmente, s cicls de cgeraçã em escala industrial sã baseads em cicls Rankine cnvencinais a vapr (BONOMI et al., 2011). A fim de aumentar a eficiência d prcess de cgeraçã é precis diversificar a matriz energética elétrica diante da frte dependência brasileira cm as fntes hidrelétricas aliada cm as mudanças climáticas n Brasil e n mund (ALISSON, 2013). Estima-se que clima n Brasil nas próximas décadas deverá ser mais quente e que a crrência de chuvas será reduzida (ALISSON, 2013), frçand as hidrelétricas reduzirem a dispnibilidade de energia elétrica. Send assim, é imprtante diversificar e aumentar a eficiência ds prcess de cgeraçã a partir de bimassa. Para tant, é necessári estud de cgeraçã cm diferentes alternativas de mtres térmics primáris, entre eles cicl Rankine avançad cm parâmetrs supercrítics, cicl rgânic e mtres cm Stirling e micrturbina a gás. O cicl Rankine avançad cm parâmetrs supercrítics emprega fluid de trabalh (vapr) nas cndições supercríticas, ist favrece a cnversã de energia e, cnsequentemente, uma mair eficiência na prduçã de energia elétrica quand cmparada a cicl Rankine cnvencinal (AVRUTSKII, 2005). Já cicl rgânic pera cm fluids rgânics (R123, HFE700, entre utrs), send que sua principal vantagem é que sua densidade energética é mair d que d vapr de água (COSTA, 2012). A grande vantagem d mtr Stirling é que pde ser utilizad a partir d gás cmbustível da gaseificaçã de bimassa (LORA, 2008). E, pr fim, a micrturbina a gás pssui grande vantagem para prduçã de energia elétrica em pequena escalas pr pssuir dimensã pequena quant cmparada as mtres térmics cnvencinais (LORA, 2008), ist é, pde ser empregada em cmunidades isladas. Estes cicls e mtres primáris pdem ser integrads em uma birrefinaria para prduçã e exprtaçã de energia elétrica. O cnceit de birrefinaria, de acrd cm NREL (2014), é definid cm uma instalaçã em que prcesss e equipaments sã integrads para a cnversã de bimassa em cmbustíveis, energia e prduts químics.

Alguns autres se referem a este fenômen cm uma revluçã energética u terceira revluçã industrial e, neste cas, Brasil recebe atençã especial na prduçã de agrenergia, principalmente relacinada à

3 Diante deste cenári, sã grandes s esfrçs de instituições públicas e privadas para encntrar sluções tecnlógicas assciadas à cadeia prdutiva de uma bimassa específica para aumentar a eficiência d prcess de cgeraçã. Uma pçã de implementar e desenvlver uma dada tecnlgia é realizar suas perações unitárias em uma platafrma de simulaçã cm crre n Labratóri Nacinal de Ciência e Tecnlgia d Bietanl (CTBE) d Centr Nacinal de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM). Os principais bjetivs d CTBE sã desenvlver a cadeia prdutiva da cana-de-açúcar que inclui bietanl, prduts químic, cmbustíveis líquids e energia elétrica. Para iss, CTBE pssui uma ferramenta de simulaçã capaz de avaliar diferentes tecnlgias na esfera ecnômica, técnica, ambiental e scial chamada de Birrefinaria Virtual de Cana-de-Açúcar (BVC). Entre as principais vantagens de se utilizar uma platafrma de simulaçã da BVC estã (BONOMI et al., 2011): i) Cnstruçã d prjet de frma segura e reduçã d cust de prduçã; ii) Engenharia e timizaçã de prcesss; iii) Integraçã de rtas tecnlógicas à indústria; iv) Análise e viabilidade técnica-ecnômica. De acrd cm BONOMI et al. (2011), a simulaçã de tds s prcesss em uma platafrma de simulaçã pdem ser realizadas pr mei d sftware Aspen Plus, que pssui pactes termdinâmics e de mdelaments de várias perações unitárias. Desta frma, a simulaçã na BVC d CTBE é capaz de representar rigrsamente uma análise de diferentes tecnlgias cm pde ser vist em alguns trabalhs (DIAS et al., 2013 a, b; CAVALETT et al., 2012; BONOMI et al. 2011). Objetivs O presente prjet tem cm principal bjetiv revisar e apresentar estad da arte e simular sistemas de cgeraçã cm diferentes alternativas de mtres térmics primáris integrads na Birrefinaria Virtual de Cana-de-açúcar (BVC) d Labratóri Nacinal de Ciências e Tecnlgias d Bietanl (CTBE). Neste prjet serã revisads e simulads em Aspen Plus quatr cicls de cgeraçã nã cnvencinais: i) Cicl Rankine avançad cm parâmetrs supercrítics; ii) Cicl rgânic; iii) Mtr Stirling; iv) Micrturbina a gás. Metdlgia O presente prjet pssui cm metdlgia as seguintes etapas listadas abaix: Etapa 1: Revisã d estad da arte sbre as tecnlgias de sistemas de cicl de cgeraçã nã cnvencinais cm cicl Rankine avançad supercrític, cicl rgânic, cicl cm mtr Stirling e cicl cm micrturbinas a gás. Para tant, serã utilizadas referências bibligráficas da literatura tais cm bases de dads cm Cmpendex, Web f Sciel, SciELO, JCR, entre utras que pdem ser acessadas pel Centr Nacinal de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM). Etapa 2: Familiarizaçã cm sftware de simulaçã Aspen Plus. Nesta etapa estudante aprenderá recurss básics d funcinament da platafrma de simulaçã. Neste cas, haverá a simulaçã de cicls básics de cgeraçã cm cicl Rankine cnvencinal a vapr.

Uma pçã de implementar e desenvlver uma dada tecnlgia é realizar suas perações unitárias em uma platafrma de simulaçã cm crre n Labratóri Nacinal de Ciência e Tecnlgia d Bietanl (CTBE) d Centr

4 Etapa 3: Simulaçã em Aspen Plus ds cicls de cgeraçã nã cnvencinais cm cicl Rankine avançad supercrítics, cicl rgânic, mtr Stirling e micrturbinas a gás integrads à Birrefinaria Virtual de Cana-de-açúcar. A saber, cenári prpst pela BVC para prcess de integraçã cnsidera uma planta de etanl de primeira geraçã (1G). Etapa 4: Análise e discussã ds resultads simulads cm Grup de Termcnversã (GT) d CTBE. Etapa 5: Relatóri parcial e final Crngrama de execuçã d prjet Etap a Agst Setembr An 2014 An 2015 Outubr Nvembr Dezembr Janeir Fevereir Març 1 X X X X X X X X X X X 2 X X X 3 X X X X X X X X 4 X X X X X X X X X X X X 5 X X Abri l Mai Junh Julh Resultads Esperads É esperad que este prjet cnslide s cicls de cgeraçã cm diferentes alternativas de mtres térmics primáris na BVC d CTBE n CNPEM e na cmunidade científica nacinal e internacinal a partir de uma birrefinaria de cana-de-açúcar para prduçã de etanl. Referências ALISSON, E. Mudanças n clima d Brasil até Setembr Acess em 30/04/2014. URL: < AVRUTSKII, G.D.; SAVENKOVA, I.A.; LAZAREV, M.V.; AKULENKO, V.V.; SHAVARTS, A.L.; IVANOV, S.A. Develpment f engeneering slutins fr creatin f turbine plant fr pwer unit with supercritical steam parameters. Pwer Technlgy and Engineering, Vl. 39, N. 6, pp , BONOMI, A.; MARIANO, A.P.; JESUS, C.D.F.D.; FRANCO, H.C.J.; P., C.M.; DIAS, M.O.D.S.; CHAGAS, M.F.; CAVALETT, O.; MANTELATTO, P.E.; FILHO, R.M.; JUNQUEIRA, T.L. e CARDOSO, T.D.F. The Virtual Sugarcane Birefinery (VSB). Relaóri técnic, Brazilian Center f Research in Energy and Materials (CNPEM), CAVALETT, O.; JUNQUEIRA, T.L.; DIAS, M.O.; JESUS, C.D.F.; MANTELATTO, P.E.; CUNHA, M.P.; FRANCO, H.C.J.; CARDOSO, T.F.; FILHO, R.M..; ROSSELL, C.E.V. e BONOMI, A.M.F.L.J. Envirnmental and ecnmic assessment f sugarcane first generatin birefineries in brazil. Clean Technlgies and Envirnmental Plicy, v. 14, , 2012.

Etapa 4: Análise e discussã ds resultads simulads cm Grup de Termcnversã (GT) d CTBE.

5 CONAB. Acmpanhament de safra brasileira: cana-de-açúcar, terceir levantament, safra 2013/2014. Relatóri técnic, CONAB Cmpanhia Nacinal de Abasteciment, Dezembr COSTA, J.M. Cicl Orgânic de Rankine. Seminári Divulgaçã ds resultads d prjet COMFORTABLE. Cimbra, Prtugual. Març URL: < DIAS, M.O.; JUNQUEIRA, T.L.; CAVALETT, O.; CUNHA, M.P.; JESUS, C.D.F.; MANTELATTO, P.E.; ROSSELL, C.E.V.; FILHO, R.M.. e BONOMI, A.M.F.L.J. Cgeneratin in integrated first and secnd generatin ethanl frm sugarcane. Chemical Engineering Research & Design, v. 91, , 2013a. DIAS, M.O.; JUNQUEIRA, T.L.; CAVALETT, O.; PAVANELLO, L.G.; CUNHA, M.P.; JESUS,C.D.; FILHO, R.M.. e BONOMI, A.M.F.L.J. Birefineries fr the prductin f first and secnd generatin ethanl and electricity frm sugarcane. Applied Energy, v. 109, 72 78, 2013b. LORA, E.E.S.; COBAS, V. R. M.; PAULA, R.B. Outras tecnlgias para a geraçã de eletricidade em pequena escala a partir da bimassa: mtr Stirling, células a cmbustívels, micrturbinas. In: CORTEZ, L.A.B.; LORA, E.E.S. GÓMEZ, E.O. Bimassa para energia. Editra Unicamp. p NREL. What is birefinery? Acess em 08/01/2014. URL: < MAPA, Anuári estatístic da agrenergia. Relatóri, MAPA Ministéri da Agricultura, Pecuária e Abasteciment, Brasília. Tlmasquim, M. T. In: Lra, E. E. S.; Nasciment, M. A. R. Geraçã termelétrica Planejament, prjet e peraçã. Capítul Prefáci. Vl. 1. P. 631.

L.; CAVALETT, O.; CUNHA, M.P.; JESUS, C.D.F.; MANTELATTO, P.E.; ROSSELL, C.E.V.; FILHO, R.M.. e BONOMI, A.M.F.L.J. Cgeneratin in integrated first and secnd generatin ethanl frm sugarcane.

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