Alternativas de Geração de Calor e Produção de Vapor com Energia Solar

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Vasco Amaral Lombardi
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1 Alternativas de Geração de Calor e Produção de Vapor com Energia Solar José R. Simões-Moreira, Ph.D. jrsimoes@usp.br SISEA Lab. de Sistemas Energéticos Alternativos Escola Politécnica da USP

2 Prof. José R. Simões Moreira Breve biografia Graduado em Engenharia Mecânica pela Escola Politécnica da USP (1983), Mestrado em Engenharia Mecânica pela mesma instituição (1989), Doutorado em Engenharia Mecânica - Rensselaer Polytechnic Institute (1994) e Pós-Doutorado em Engenharia Mecânica na Universidade de Illinois em Urbana- Champaign (1999). Atualmente é Professor Associado da Escola Politécnica da USP, Tem experiência na área de Engenharia Mecânica, com ênfase em Engenharia Térmica e transformação de energia e uso de gás combustível. Coordena o curso de especialização pela USP de nome Energias Renováveis, Geração Distribuída e Eficiência Energética. Tem desenvolvido projetos de cunho tecnológico com apoio da indústria (Comgas, Ultragaz, Ipiranga e Vale). É autor de mais de 90 artigos técnico-científicos, além de ser autor de um livro intitulado Fundamentos e Aplicações da Psicrometria. Finalmente, coordena o laboratório e grupo de pesquisa da EPUSP de nome SISEA - Lab. de Sistemas Energéticos Alternativos (

Rensselaer Polytechnic Institute (1994) e Pós-Doutorado em Engenharia Mecânica na Universidade de Illinois em Urbana- Champaign (1999).

3 ENERGIA SOLAR Baixa temperatura Coletores planos aplicações em aquecimento de água em baixa temperatura, inclusive para pré- Aquecimento de água de processo ren21.net Pré-aquecimento de água de caldeira (restaurante da USP)

inclusive para pré- Aquecimento de água de processo

4 ENERGIA SOLAR Baixa temperatura mapa do Brasil (CRESESB) Radiação média total incidente (difusa mais direta)

5 ENERGIA SOLAR Alta temperatura Coletores Concentradores aplicações em geração de vapor, aquecimento de óleos industriais para processos e geração de energia elétrica ren21.net Concentrador do tipo Fresnel linear Concentrador de calha parabólica Concentrador em torre (Califórnia, EUA)

6 ENERGIA SOLAR Alta temperatura mapa do Brasil (CRESESB) Radiação média total incidente (total e direta)

7 CASA DAS CALDEIRAS (COSEAS CUASO ) Localização: cidade universitária USP O sistema de pré-aquecimento da água de alimentação do restaurante central do campus de São Paulo foi concluído e entregue oficialmente dia 11/08/2005. Este projeto fez parte de um esforço de utilização de fontes alternativas de energia no âmbito da USP denominado PUREFA Programa de Uso Racional de Energia e Fontes Alternativas com coordenação geral dos profs. Luiz Cláudio Galvão e Marco Saidel com apoio FINEP. A coordenação desta fase do projeto ficou a cargo do Prof. Dr. José R. Simões Moreira do departamento de Enga. Mecânica da EPUSP. A motivação para a implantação deste projeto foi a de que no horário de pico de utilização (11:00 hs às 15:00 hs) o equipamento de aquecimento da água de alimentação da cozinha se mostrou insuficiente para fornecer a vazão de água quente à temperatura necessária para as finalidades de limpeza e esterilização no restaurante. Numa primeira fase mais ambiciosa do projeto, pensava-se em obter toda a água quente diretamente por meio de energia solar. Assim, determinou-se a área de coletores solares necessária para atingir essa meta. Entretanto, desse estudo se conclui que a área de cobertura seria muito grande, o que inviabilizaria o projeto, por não haver um local apropriado em torno da casa de caldeiras para sua implantação. Numa nova avaliação, decidiu-se por utilizar a área disponível sobre o telhado da casa de caldeiras e que o sistema deveria funcionar como um pré-aquecedor, ao invés de fornecer toda a água quente, como imaginado. Deste estudo, chegou-se à forma final e atual do projeto. Alguns dados técnicos são: o número de coletores solares é 80, medindo 1,57 x 0,80 m, um tanque de armazenamento de 5000 litros e um sistema de controle que gerencia todo o sistema.

Este projeto fez parte de um esforço de utilização de fontes alternativas de energia no âmbito da USP denominado PUREFA Programa de Uso Racional de Energia e Fontes Alternativas com coordenação geral

CASA DAS CALDEIRAS (COSEAS CUASO ) Localização: cidade universitária USP Objetivo inicial do projeto: Minimizar o consumo de GLP (gás liquefeito de petróleo).

Nas caldeiras vapor saturado a 8 kgf/cm² é gerado pela queima de GLP.

8 CASA DAS CALDEIRAS (COSEAS CUASO ) Localização: cidade universitária USP Objetivo inicial do projeto: Minimizar o consumo de GLP (gás liquefeito de petróleo). O que fazia: Na casa das caldeiras o misturador capta a água da rede, a aproximadamente 20º C, e mistura com o condensado que retorna do processo, e alimenta duas caldeiras. Nas caldeiras vapor saturado a 8 kgf/cm² é gerado pela queima de GLP. Parte deste vapor saturado é utilizado no restaurante central (para a cocção) e a grande maioria do restante é utilizada para aquecer a água até 90º C (no aquecedor), que é utilizada no processo de lavagem (talheres, pratos, bandejas, etc) do restaurante. O GLP que é queimado nas caldeiras é armazenado em um reservatório no estado líquido e antes de ser queimado é transformado em estado de vapor passando por um evaporador elétrico. Figura 1: Vista externa da casa das caldeiras antes da instalação dos coletores Figura 2: Aquecedor de água com vapor produzido nas caldeiras

9 CASA DAS CALDEIRAS (COSEAS CUASO )

CASA DAS CALDEIRAS (COSEAS CUASO ) Levantamento dos dados No restaurante, onde são consumidos a água quente e o vapor de água produzido na casa das caldeiras, temos os panelões que utilizam o vapor

10 CASA DAS CALDEIRAS (COSEAS CUASO ) Levantamento dos dados No restaurante, onde são consumidos a água quente e o vapor de água produzido na casa das caldeiras, temos os panelões que utilizam o vapor de água a 0,5 kgf/cm² para o preparo dos alimentos, as duas máquinas de lavar louça e as seis torneiras que utilizam água quente. Nos horários de maior consumo há deficiência de água quente, mas a quantidade de vapor de água é suficiente.

kgf/cm² para o preparo dos alimentos, as duas máquinas de lavar louça e as seis torneiras que utilizam água

11 CASA DAS CALDEIRAS (COSEAS CUASO ) Definição do local de instalação área de superfície (cobertura): 144 m 2 área total dos coletores (plano inclinado): 110 m 2

12 CASA DAS CALDEIRAS (COSEAS CUASO ) instalações

13 CASA DAS CALDEIRAS (COSEAS CUASO ) Novas instalações Diagrama da casa de caldeiras após a introdução do sistema solar Sistema solar do esquema à direita que perfaz o bloco esquemático Entre 11 hs 15 hs, o sistema consome água fria da rede. Neste intervalo, água aquecido do reservatório térmico é consumido. O controle temporizado é feito pela servo-válvula de 3 vias acima.

Entre 11 hs 15 hs, o sistema consome água fria da rede.

14 CASA DAS CALDEIRAS (COSEAS CUASO) resultados finais O valor final do projeto com todos os custos de obras civis, de materiais e de implantação foi de R$ ,00. Os dados operacionais indicaram uma economia (valores em fins de 2005) de cerca de R$ 4.500,00 por mês na conta final de GLP, já que houve um menor consumo deste combustível em virtude da menor utilização geral de vapor. Portanto, houve um tempo de retorno inferior a 2 anos em valores de Uma economia superior a 8 ton/ano de GLP foi obtida, com suas vantagens ambientais pelo lançamento evitado de dióxido de carbono na atmosfera. Finalmente, um outro resultado secundário que foi percebido, foi a qualidade do ambiente de trabalho na casa de caldeiras, uma vez que a radiação térmica incidente sobre o telhado foi absorvida pelos coletores, diminuindo a temperatura média do telhado.

500,00 por mês na conta final de GLP, já que houve um menor consumo deste combustível em virtude da menor utilização geral de vapor.

15 GERAÇÃO DE VAPOR COM ENERGIA SOLAR Com concentração solar é possível: produzir vapor de processo aquecer um óleo térmico a altas temperaturas (400 o C) Produzir energia elétrica por meio de ciclo de Rankine ou Stirling Produzir ar condicionado por meio de ciclos de absorção de calor Reações metalúrgicas endotérmicas de alta temperatura

elétrica por meio de ciclo de Rankine ou Stirling Produzir ar condicionado por meio

16 GERAÇÃO DE VAPOR COM ENERGIA SOLAR Vapor de processo Exemplo da fábrica de pneus da Pirelli em Feira de Santana (BA) Capacidade de 1,4 MW térmicos Área de coletors 2400 m 2 Investimento de 1,3 milhões euros Prevista operação para Julho/2014

(BA) Capacidade de 1,4 MW térmicos Área de coletors 2400 m

17 GERAÇÃO DE VAPOR COM ENERGIA SOLAR Energia elétrica ciclo de Rankine Ar condicionado ciclo de absorção Usina piloto a ser instalada na USP Capacidade de 80 kwe

18 GERAÇÃO DE VAPOR COM ENERGIA SOLAR Technology Trigenerative Solar Plant Units Total electrical nominal power, Pe 80 kwe Thermal nominal power kwt Site Sao Paolo Solar field technology Linear Fresnel Reflector Dados técnicos do projeto Solar field thermal peak power, Pt kwt Heat Transfer Fluid, HTF Synthetic Diathermic Oil Land surface m2 Mirror net surface m2 LFR modules 16 Number of vacuum high efficiency absorber tubes 104 Type of actuators stepper Motion with irreversible motion gears Number of actuators for LFR module 14 Actuator control procedure Process control Local LFR control with single acquator control with auto-calibration Fully automatic Diathermic oil temperature inlet/outlet 300/240 C Thermal storage type Two insulated tanks (N2 pressurized) Thermal storage capacity (max) 0,5 h Power generation set type (gen set 1) Screw expander Gen set 1 nominal power 50 KWe Power generation set (gen set 2) Gen set 1 nominal power 30 KWe Solar cooling Air-cooled-absorption chiller Cooling nominal power 12 kwt ORC

modules 16 Number of vacuum high efficiency absorber tubes 104 Type of actuators stepper Motion with irreversible motion gears Number of actuators for LFR module 14 Actuator control procedure Process

processo; Armazenamento de energia solar na forma de combustíveis químicos; Temperaturas acima de 1000

19 Linhas de Pesquisa solar alta temperatura GERAÇÃO DE VAPOR COM ENERGIA SOLAR PRODUÇÃO DE H 2 A PARTIR DE ENERGIA SOLAR COM ALTA CONCENTRAÇÃO Conceito: Uso de energia solar concentrada como fonte de calor de processo; Armazenamento de energia solar na forma de combustíveis químicos; Temperaturas acima de 1000 C, chegando a mais de 2000 C em alguns casos; Concentração para alcançar temperaturas superiores a 2000 o C

20 Grato

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