ANÁLISE ENERGÉTICA E EXERGOECONÔMICA DE UMA PLANTA DE POTÊNCIA A VAPOR ALIMENTADA COM BIOMASSA

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1 Proceedings of the 11 th Brazilian Congress of Theral Sciences and Engineering -- ENCIT 2006 Braz. Soc. of Mechanical Sciences and Engineering -- ABCM, Curitiba, Brazil, Dec. 5-8, 2006 Paper CIT ANÁLISE ENERGÉTICA E EXERGOECONÔMICA DE UMA PLANTA DE POTÊNCIA A VAPOR ALIMENTADA COM BIOMASSA Antonio Geraldo de Paula Oliveira Capus Universitário do Guaá, Lab. de Eng. Mecânica - LABGAS, Sala 5, Belé-PA-Brasil, CEP: ageraldo@ufpa.br Manoel Fernandes Martins Nogueira Capus Universitário do Guaá, Lab. de Eng. Mecânica, Sala 202, Belé-PA-Brasil, CEP: fn@ufpa.br Gonçalo Rendeiro Capus Universitário do Guaá, Lab. de Eng. Mecânica LABVAPOR, Sala 1, Belé-PA-Brasil, CEP: rendeiro@ufpa.br Resuo. O grupo de pesquisa Energia Bioassa e Meio Abiente - EBMA. possui ua planta de potência a vapor que utiliza coo cobustível bioassa residual para gerar 5 kw. Esta planta obedece o ciclo de Rankine siples e foi contruida para gerar recurços huanos e testar o desepenho de bioassas Aazonicas coo cobustivel para caldeiras. A planta é be instruentalizada e é capaz de operar por longos períodos de tepo. O presente trabalho realizou ua análise energética, exergética e econôica. As leis da conservação da assa e energia fora aplicadas para cada coponente da planta juntaente co a quantificaçao da perda de exergia e cada coponente. O odelo exergoeconôico foi aplicado para calcular o custo econôico e cada equipaento de fora a obter-se a energia e o fluxo de caixa do valor financeiro da energia destruida para cada processo. Palavras chave: energia, exergia, exergoeconoia, bioassa, planta de potência a vapor. 1. Introdução Co o sepre crescente auento do custo dos cobustíveis, torna-se cada vez ais necessária a otiização dos sisteas energéticos de fora a aproveitar o áxio da energia que fora fornecida ao sistea pelo cobustível e consequenteente reduzir os custos de operação. Durante uito tepo utilizou-se apenas a análise energética dos sisteas téricos, as a esa não é capaz de quantificar as perdas localizadas do sistea, de fora a dificultar a otiização do eso, co isso coeçou-se a utilizar a análise exergética. A análise exergética é capaz de predizer o desepenho terodinâico dos sisteas energéticos e as eficiências de seus coponentes do sistea através de ua precisa quantificação da geração de entropia e cada coponente. Baseado na análise exergética realiza-se a quantificação de custos unitários de produção da eletricidade através da análise exergoeconôica, e conseqüenteente ede-se as perdas onetárias devido às irreversibilidades. No presente trabalho fora realizadas análises energéticas, exergéticas e exergoeconôicas na planta de potência a vapor do EBMA (Grupo de Energia Bioassa e Meio Abiente) localizada no laboratório de Engenharia Mecânica da Universidade Federal do Pará, operando sobre u ciclo Rankine antendo a caldeira trabalhando a ua pressão constante de 7 bar para que se tivesse uniforidade dos resultados. 2. Propriedades Terodinâicas da Planta de Potência Nesta sessão serão apresentadas as etodologias para o cálculo das propriedades e cada ponto da planta de potência a vapor. A planta é ostrada esqueaticaente na Fig Ponto ef: Alientação da fornalha (Bioassa e ar) A bioassa residual é de orige Aazônica e teve sua análise iediata e de poder calorífico superior (PCS) realizada no laboratório do EBMA (Netto, Oliveira et al., 2006). O fluxo de assa de bioassa ( Bio ) é obtido através do onitoraento da alientação que é controlada pelo operador da caldeira. O poder calorífico é utilizado no cálculo da taxa de calor liberada nas câaras de cobustão, da teperatura adiabática de chaa e rendientos energéticos. O poder calorífico inferior da bioassa é calculado pela redução de entalpia de vaporização do vapor de água forado na cobustão do valor do poder calorífico superior. A fórula de cálculo do PCI é apresentada a seguir (Ushia, 2005).

2 Figura 1: Diagraa esqueático da planta de potência a vapor do EBMA

3 HO o 2 lv(25 C) Proceedings of ENCIT ABCM, Curitiba, Brazil, Dec. 5-8, 2006, Paper CIT PCS PCI = h (1) O teor de oxigênio envolvido é be aior que o de hidrogênio, logo o fator que deterina a quantidade de água a ser criada no processo de cobustão é o núero de átoos de hidrogênio. A assa de água forada na cobustão é calculada por: = h (2) 9 HO 2 onde h é o teor de hidrogênio no cobustível sólido seco, deterinado a partir da análise eleentar, e 9 é o coeficiente de proporcionalidade da assa total da água para cada u dos dois átoos de hidrogênio presentes na olécula de água, ou seja, para cada ol de h são forados 9 g de água. Se o cobustível tiver ua deterinada uidade (a), e base úida 1, o poder calorífico superior e base úida é: u ( 1 ) PCS = a PCS (3) Substituindo as Eq. (2) e Eq. (3) na Eq. (1) obté-se o poder calorífico inferior e base úida. ( 1 ) 9 ( 1 ) o o (25 ) (25 ) PCI = a PCS a h h a h (4) u lv C lv C onde h é a entalpia de vaporização da água a 25º C. o lv(25 C) 2.2. Ponto sf: Saída da fornalha (entrada da chainé) O fluxo de assa do gás que sai pela chainé é calculado através da equação abaixo. = ρ V A (5) Gás Onde ρ é a assa específica, A é a área da secção transversal da chainé e V é a velocidade édia na secção transversal. A assa específica dos gases é calculada utilizando-se a lei dos gases perfeitos. A velocidade édia é calculada através do étodo de Fardin. V = V0,5 ± 0,5% + 1 (6) Onde V 0,5 representa a velocidade edida no centro da tubulação. Se o escoaento for lainar = 1 Se o escoaento for turbulento = 1+ 6 Re 50 A entalpia especifica na base olar, de cada coponente, é calculada através da soa da entalpia de foração da 0 espécie i ( h f, i ) co a diferença da entalpia sensível Δ h s, i (Turns). h( T) = h ( T ) +Δ h ( T ) (7) 0 i f, i ref s, i ref Os valores de entalpia de foração e udança de entalpia sensível são tabelados Ponto 1: Saída da caldeira Para o cálculo da entalpia e entropia específica no ponto 1 ( h 1 e s 1 ) utiliza-se as propriedades ( P1, T 1) que são fornecidas siultaneaente pelos sensores instalados na planta. 1 É a relação entre a assa de água presente na bioassa e a assa total da bioassa úida.

4 2.4. Ponto 2: Entrada da turbina Proceedings of ENCIT ABCM, Curitiba, Brazil, Dec. 5-8, 2006, Paper CIT Para o cálculo da entalpia e entropia específica no ponto 2 ( h 2 e s 2 ) utiliza-se as propriedades ( P2, T 2) que são fornecidas siultaneaente pelos sensores instalados na planta Ponto 3: Saída da turbina (entrada do condensador) Para o cálculo da entalpia e entropia específica no ponto 3 ( h 3 e s 3 ) utiliza-se as ( T3, P 3), que são fornecidas siultaneaente pelos sensores instalados na planta. O valor de h 3,S é calculado co a utilização de s 2 e T Ponto 4: Saída do Condensador. (entrada da boba de vácuo) Para o cálculo da entalpia e entropia específica no ponto 4 ( h 4 e s 4 ) utiliza-se ( T 4 ) e a pressão de saturação ( P sat ) referente à teperatura no ponto Ponto 5: Entrada do tanque de condensado O fluxo de assa de água (no estado vapor ou condensado) ( V ) na caldeira é o eso que flui e todos os pontos do ciclo, ua vez que não se realiza nenhu processo de extração. A quantificação do eso é feita co a utilização de u recipiente de assa ( ) que é preenchido durante u tepo (t ) co a água que abastece o tanque de condensado, co isso podeos calcular a assa de água ( HO), e consequenteente o fluxo de assa através da 2 seguinte equação. HO 2 V = (8) t 2.8. Ponto 6: Saída do tanque de condensado (entrada da boba 3) Para o cálculo da entalpia e entropia específica no ponto 6 ( h 6 e s 6 ) utiliza-se as propriedades, pressão atosférica ( P at ) e teperatura da água no tanque ( T 6 ), abas edidas co o auxílio do equipaento TEMPEST Ponto 7: Entrada da caldeira Para o da entalpia e entropia específica no ponto 7 ( h 7 e s 7 ) adite-se que P7 = P1 e que T7 = T6. 3. Análise Energética e Exergética 3.1. Forulação da análise energética Nesta seção a análise energética de cada u dos coponentes da planta é realizada co base nas 1ª e 2ª leis da terodinâica (Bejan, 1984; Çengel e Boles, 1998; Moran e Shapiro, 2002) Forulação da análise exergética A análise exergética usualente prediz a perforance terodinâica de sisteas de energia e a eficiência dos coponentes do sistea através de ua precisa quantificação da geração de entropia dos coponentes. Nesta seção será ostrada a etodologia de cálculo das perdas exergéticas e cada coponente que copõe a planta de potência a vapor ostrada na Fig. 1. Fora utilizados esquea de exergia de fluxo (Kotas, 1985; Çengel e Boles, 1998; Moran e Shapiro, 2002) e exergia quíica (Kotas, 1985; Feng, Kooi et al., 2004) Caldeira, fornalha e chainé Co o uso da análise exergética, o tero eficiência de segunda lei ou eficiência exergética é couente utilizado. Ele se refere à coparação entre a energia de saída desejada co o custo ou energia fornecidos ao processo, abos e teros de disponibilidade terodinâica. Este conceito fornece a taxa ou edição do processo real e teros da atual udança de estado.

5 Coo calor disponibilizado pela adeira através do processo de cobustão utiliza-se o conceito de exergia quíica (Kotas, 1985; Zhong, Peters et al., 2002; Feng, Kooi et al., 2004). qui e = β PCI + w h (9) lv E qui = Bio β PCI + w hlv (10) A proporção entre os eleentos quíicos que constitue a bioassa é denotada por β, que para ua proporção ássica de 2, 67 > o > 0, 667 é calculado segundo a seguinte equação (Kotas, 1985). c h h n 1, ,1882 0, , , 0383 c c c β = (11) o 1 0,3035 c Onde c, h, o e n são respectivaente as frações ássicas de carbono, hidrogênio, oxigênio e nitrogênio definidos através de análise eleentar da bioassa. A exergia que entra no sistea durante o aqueciento da água de alientação é calculada segundo a expressão abaixo: E Cald = V h1 h7 T0 s1 s7 (12) A exergia que sai do sistea através dos gases de exaustão são calculados por: E Gás = Gás he hs T0 se ss (13) Para equipaentos que não envolve produção ou entrada de trabalho, no caso da caldeira, a definição de eficiência exergética refere-se ao quociente entre a exergia que entra no processo através do vapor e a exergia fornecida ao processo pelos gases de exaustão. (Sontag, Borgnakke et al., 1998). Mateaticaente é definida coo: ECald η Cald = (14) E Turbina Gás É considerado que a turbina opera e regie peranente, adiabaticaente e despreza-se os efeitos da energia cinética e potencial. Desta fora a equação da exergia de fluxo para o cálculo da destruição de exergia da turbina assue a fora E = T s s (15) dt, V A potência áxia que pode ser desenvolvido pela turbina é W Máx = V h2 h3 T0 s2 s3 (16) No caso da turbina, a eficiência exergética é calculada através da potência real desenvolvida dividida pela potência áxia. W η ET, = W T Máx (17) Condensador É considerado que o condensador opera e regie peranente e que os efeitos de energia cinética, potencial e a parcela de água de arrefeciento que evapora são desprezados. A exergia que é retirada do sistea pelo condensador é

6 calculada segunda a seguinte equação. E Cond = H2O h3 h4 T0 s3 s4 (18) A exergia carregada pela água de arrefeciento é definida por. E aa = aa hs, aa he, aa T0 ss, aa s e, aa (19) Siilarente à caldeira a eficiência exergética é. E η Econd, = E aa Cond (20) Linhas de transporte de vapor e condensado A exergia perdida pelas linhas de transporte, entre a caldeira e a turbina e entre o condensador e a boba 4 são calculadas através das equações abaixo: E L.1 2 = V h1 h2 T0 s1 s2 (21) E L.4 6 = V h4 h6 T0 s4 s6 (22) Bobas De fora análoga a turbina calcula-se a destruição de exergia provocada pela boba. E = T s s (23) dbi,. i 0 s e A eficiência exergética da boba é siilar a da turbina. W η EB, = W B Máx, B (24) Onde o trabalho áxio consuido pela boba é definido coo W Máx, B = i hs he T0 ss se (25) Ciclo copleto A eficiência exergética do sistea é obtida entre a razão do trabalho líquido e a exergia quíica fornecida pelo processo de cobustão. η EX W T i = E qui W B. i Onde o índice i representa a nueração de cada boba existente no processo. (26) 4. Forulação da Análise Exergoeconôica A análise exergoeconôica estia o custo unitário dos produtos coo a eletricidade e vapor e quantifica as perdas onetárias devido à destruição de exergia.

7 4.1. Cálculo do custo da eletricidade Se u sistea energético produz apenas u produto, neste estudo, eletricidade, o étodo de custo exergético a ser utilizado para encontrar o custo de produção da eletricidade ( C ) é ostrado na equação abaixo (Moran, 1982). e C e C Z BIO k = 1 + η C E EX BIO qui (27) Onde C BIO representa o custo unitário de exergia de bioassa e Z k a taxa de custo de capital de cada coponente da planta. O custo unitário de exergia de bioassa é calculado por: C CT Bio Bio = (28) equi Onde CT Bio é o custo da tonelada de bioassa. Na Eq. (49), o custo de produção de eletricidade depende forteente do custo da bioassa e da eficiência exergética do sistea e é afetada pela proporção entre a taxa de custo de capital e os custos que envolve o cobustível. Para o cálculo do fluxo onetário de cada coponente utiliza-se a seguinte equação. C = C E (29) i i i Onde E i é a exergia destruída e cada coponente e eletricidade Equações de custos para os coponentes da planta C i é referente ao custo exergético da bioassa ou da Todos os custos da planta depende da operação, tipo de financiaento, capital requerido, vida útil do coponente, etc. O étodo de custo anual (Moran, 1982) foi usado para estiar o custo de capital de cada coponente do sistea e estudo. O custo atual devido à aortização (Kwak, Ki et al., 2001) para u coponente deve ser calculado por: PW = C S PWF (30) i n Onde C é o custo inicial da planta, i S n é o valor a ser resgatado no final de sua vida útil e PWF é o fator de valor atual que é a relação entre os anos utilizados e o total de utilização. O valor atual do coponente é convertido e custo anual usando o fator de capital recuperado CRF(, i n ). C ( $ ) PW CRF( ir, Na) ano = (31) O CRF(, i n ) é o capital que é toado eprestado a ua taxa fixa de juros i r e é reposto e prestações anuais fixas até u deterinado núero de anos N a (Kotas, 1985). CRF( i, N ) = ir ( 1+ ir) a ( i ) r a N Na 1+ 1 r (32) Dividindo o custo anual por 3120 horas de operação anuais (12 horas por dia e 5 dias por seana), obté-se o seguinte custo de capital. C + C O& M k Z k = (33)

8 O custo de Proceedings of ENCIT ABCM, Curitiba, Brazil, Dec. 5-8, 2006, Paper CIT O& M (operação/anutenção) é calculado segundo a equação abaixo. C O& M = N f ( Sf + Pt + ES) (34) Onde N f, Sf, P t e ES são respectivaente o núero de funcionários destinados à operação, o salário dos funcionários, adicional de periculosidade, e encargos sociais. O custo de anutenção foi considerado desprezível devido o histórico de despesas do EBMA apresentare gastos uito pequenos co a anutenção da planta. 5. Resultados Obtidos 5.1. Caracterização das propriedades Bioassa Coo coposição eleentar da bioassa foi adotado CHO (Tillan, 1991). A análise eleentar realizada no laboratório de caracterização de bioassa do EBMA forneceu os resultados ostrados na Tab. 1. Tabela 1: Análise eleentar da bioassa queiada. Uidade 20,00% Voláteis 82,02% Cinzas 0,34% Carbono fixo 17,64% PCS 20 MJ/kg PCI 16 MJ/kg Fonte: (Netto, Oliveira et al., 2006) O fluxo de bioassa na alientação da fornalha é edido pelo operador. No presente trabalho trabalhou-se co u fluxo de 250 kg/h Gases da cobustão Na saída da chainé fora edidos os gases co o auxilio do equipaento TEMPEST 100, adotando que suas concentrações era as esas de antes do filtro, ua vês que se tinha dificuldade de fazer a edição lá. Não se foi capaz de fazer a edição verdadeira dos gases de saída da chainé devido restrições do equipaento de edição (TEMPEST 100), logo foi adotado que a coposição dos gases é a áxia que o equipaento foi capaz de edir. Co base nos dados obtidos, faz-se o balanceaento da equação de cobustão da bioassa co 20% de uidade. A concentração dos gases pode ser dada pela Tab. 2. CHO+ ξ HO+ β( O + 3,76 N) αnco + ηnco+ λnho+ πnn (35) a b c t 2 t t 2 t 2 Resolvendo a Eq. (35), se obté a reação de cobustão devidaente balanceada. CHO + 0,955HO ( O + 3, 76 N) 3.94CO HO N CO Tabela 2: Concentração dos gases na saída da chainé. ESPÉCIE CONCETRAÇÃO CO 921pp CO 2 6,80% O 2 13,70% NO x 97pp NO 95pp H2O 6,8% N2 80,46% Devido à presença de CO nos gases da cobustão, pode-se afirar que a cobustão está sendo incopleta, ou seja, o processo está ocorrendo co excesso de ar ou de cobustível. Fazendo o balanço para a cobustão

9 estequioétrica da bioassa te-se. CHO + 0,955HO+ 7( O + 3, 76 N) 4CO + 3,9HO+ 26,3N Coparado co o resultado ostrado da cobustão real, nosta-se que a quantidade de ar adicionado ao processo é quase duas vezes aior que o necessário para proover a queia copleta da bioassa. Esse excesso de ar, alé de não proover a queia copleta da bioassa proove o resfriaento da chaa e consequenteente reduz-se o gradiente de teperatura desfavorecendo a transferência de calor dos gases para os tubos Tabela resuo das propriedades da planta As propriedades do fluido de trabalho fora calculadas co a utilização do software CATT (Coputer-Aided Therodynaic Tables) (Sontag, Borgnakke et al., 1996) co base nas propriedades fornecidas pelos sensores de pressão e teperatura instalados na planta. As propriedades pode ser observadas na Tab. 3 Ponto Tabela 3: Tabela resuo das propriedades. T P v u h s x Estado o C MPa 3/kg kj/kg kj/kg kj/kg/k Vazão ássica PCS kg/s PCI MJ/kg MJ/kg ,7 0, ,138 Vap sup. 0, ,54 0, ,997 Vap sup. 0, ,087 2, ,651 Vap sup. 0,269 3s 95,78 0,087 1, ,997 0,9335 Mistura liq-vap 0, , , ,8 376,9 1,192 0 Líquido saturado 0, ,1 0, ,3 209,4 0,7037 Líq. cop. 0, , ,7037 Líq. cop. 0,269 EF/Bio Bioassa úida 20,00 15,8994 SC/Gás ,512 Gases da cob. 0,213 Nota: e verelho são as propriedades edidas e e preto são as propriedades calculadas. Co base nas propriedades da Tab. 3 pode-se traçar o diagraa T-s de fora a facilitar a copreensão dos resultados Fig. 2. Figura 2 Diagraa T-s Para o calculo do fluxo de assa fora realizadas dez edidas de fora que se tivesse dados suficientes para fazer u trataento estatístico. Para a eliinação dos dados discrepantes foi utilizado o Critério de Chauvenet (Guerra, 2005a). Utilizando o critério do t-estatístico (Guerra, 2005b) obteve-se ua confiabilidade de 95% sobre a édia. A vazão utilizada nos cálculos foi o resultado obtido na édia Análise energética Pelos dados da Tab. 4, a eficiência do ciclo é uito baixa coparada às plantas de potencia a vapor coerciais que opera e torno de 25% de eficiência e co a de Carnot que para este caso é de 44%. Nota-se que as perdas são negativas, fato incoerente, as é justificado e função da grande quantidade de bioassa que não foi queiada (confore verificado pelo autor), da incerteza dos dados de concentração dos gases e

10 até eso das toadas de teperatura e pressão e cada ponto da planta. De acordo co a Tab. 5 verifica-se que a aior parte da energia fornecida pela cobustão é retirada do sistea através do condensador (58%). Nota-se claraente que devido à baixa eficiência da turbina a energia perdida nas linhas de transissão representa ua quantidade de energia quatro vezes aior que a energia fornecida pela turbina. Vale ressaltar que estaos tratando apenas da eficiência da turbina, pois se levar-os e consideração à eficiência do conjunto gerado/redutor, estes núeros seria ainda ais discrepantes. Os valores ostrados na Tab. 5, ostra ais ua vez que os dados estão incoerentes, pois as perdas pela chainé deveria ser enores que as da caldeira ua vez que as perdas da caldeira fora calculadas e função da eficiência da troca de calor entre os gases da cobustão e a água, e após esses gases trocare calor eles vão para a chainé. Isso significa que as perdas calculadas na caldeira inclue as perdidas na chainé Análise exergética Através da Tab. 4, pode-se de fora ais precisa que a análise energética, quantificar as perdas que se deve ao auento da entropia, ou seja, as perdas terodinaicaente corrigíveis. Na Tab. 5 pode-se verificar quanto cada processo representa e teros percentuais de destruição de exergia. Nesta analise 78,24% das perdas ocorre na caldeira devido principalente as irreversibilidades do processo de cobustão e troca de calor co as paredes da fornalha. A turbina e função de sua baixa eficiência destrói 5% de exergia referente ao total fornecido pela bioassa, representando isto ais que o dobro do que a própria turbina fornece ao gerador Coparativo entre a análise energética e exergética Na análise energética foi avaliada a entrada e saída de energia da planta, já na análise exergética foi desenvolvida e três itens: entrada, saída e principalente as perdas. Nesta secção, abas as análises serão coparadas e teros de suas perdas considerando u abiente a 27º C. Na Tab. 4 te-se ua coparação quantitativa da contribuição de cada coponente. Tabela 4: Resultados das análises energética e exergética. ANÁLISE ENERGÉTICA ANÁLISE EXERGÉTICA kw Equipaentos η kw Equipaentos η Q Cob 1104,000 Caldeira 67,35% E qui 1044,000 Turbina 28,32% Q V 743,441 Turbina 23,71% E Cal 227,212 Planta 1,97% Q 379,7 Ciclo 2,723% E dt, 52,471 Carnot 44% Cha W T 20,731 Planta 1,834% E Cond 124,739 Q Cond 642,95 Carnot 44% E L,1 2 23,418 Q L,1 2 E L,1 2 6,016 Q L,4 6 45,193 W B, i 0,489 W Bi, 0,489 W Ciclo 20,242 W Ciclo 20,242 Perdas - 19,00 Na Tab. 5 está claro que a aior perda exergética se deve ao processo de cobustão e transferência de calor na caldeira 78,24%, já a aior perda energética é ocupada pelo processo de condensação do vapor 58,24%. Tabela 5: Coparativos entre as perdas das análises energética e exergética. ENERGIA PERCENTUAL EXERGIA PERCENTUAL Bioassa (PCI) 100% Bioassa (Exer. Qui) 100,00% Caldeira -32,66% Caldeira -78,24% Condensador -58,24% Condensador -11,95% Linha/ ,15% Linha/ ,24% Linha/ ,09% Linha/ ,58% Bobas -0,04% Bobas -0,05% Potência de Saída -1,83% Potência de Saída -1,94%

11 Perdas Diversas -0% Perdas Diversas -3,50% Pode-se notar que a análise energética não é capaz de predizer co clareza as perdas, ua vez que ela utiliza apenas as diferenças de entalpia entre a entrada e a saída de cada coponente. E função disto as perdas no processo de condensação, são superestiadas na análise energética, pois se considera toda energia que sai do condensador coo perda (parte dessa energia precisa sair para que haja a condensação, logo não pode ser considerada perda), diferenteente da análise exergética que só considera perda o que de fato não é desejado no processo, ou seja, a destruição de exergia causada pelo auento da entropia. O eso pode ser concluído para os outros processos Análise exergoeconôica Para a usina funcionar durante 12h/dia ela precisa de 4 funcionários, onde cada funcionário recebe atualente R$ 400,00 ais adicional de 30% de periculosidade. O custo de O&M da usina é calculado co base no valor gasto co funcionários ais 85% desse valor co encargos sociais. Já o custo total depende do valor investido (R$ ,00) da taxa de juros anual que atualente é de 18% (Taxa de Juros de Epréstio, 2006), do tepo corrido de utilização (atualente 5 anos), do tepo de vida útil (30 anos) e do valor resgatado ao final da vida útil (10% do valor inicial). Aplicando os parâetros fornecidos acia nas equações desenvolvidas na forulação dada, obté-se o seguinte custo unitário de exergia de eletricidade e bioassa Ce = 0,261 R$ MJ, CBio = 5,1 R$ GJ Baseado no custo unitário de exergia te-se quanto é perdido por hora e cada coponente coo ostrado na Tab. 6. Tabela 6: Taxa do fluxo onetário de vários coponentes. COMPONENTE C R$ e ( h ) C ( R$ ) Bio h Caldeira 9,54 Turbina 49,22 Condensador 117,02 Linha/ 1-2 0,43 Linha/ Pode-se verificar que as aiores perdas onetárias acontece no condensador, pois apesar da caldeira representar aiores perdas exergéticas suas perdas te ipacto sobre a quantidade de bioassa consuida já o condensador está relacionado a potencia produzida na turbina, pois a esa é responsável pelo bobeaento da água de arrefeciento. 6. Conclusões A planta apresentou eficiências baixíssias, no que diz respeito à análise energética a eficiência planta foi de 1,8 %, a do ciclo foi de 2,7 %, a turbina apresentou ua eficiência isentrópica de 23 % e a caldeira de 67 %, no que diz respeito à análise exergética os resultados não fora uito diferentes, a eficiência da planta foi de 1,9 % e a da turbina foi de 28 %. Quanto à análise de perdas, a análise exergética, coo esperado, ostrou-se ais precisa ostrando que os pontos que apresenta aiores perdas são: a caldeira co 78 % e o condensador co 11 %. Feita ua análise do processo de cobustão, constatou-se que a quantidade de ar fornecida ao processo é quase duas vezes aior do que a necessária, proovendo assi a queia incopleta da bioassa e resfriando a chaa. Esse é o parâetro identificado quê pode ser controlado iediataente se nenhu custo de investiento e pode representar elhorias iediatas na eficiência da planta. Quanto aos custos encontrou-se que o valor da eletricidade produzida pela planta é de 261 R$/kJ e que os equipaentos que tê a hora de operação ais elevadas são o condensador e a turbina, apresentando os custo de 117 e 49 R$/h, respectivaente. 7. Agradecientos Os autores agradece o apoio da Rede Celpa pelo ao projeto de Iplantação da Planta de Potência a Vapor, assi coo ao MME pelo financiaento do eso e a Rede Nacional de Cobustão. 8. Referências Bibliográficas. Bejan, A. Advanced Engineering Therodynaics. New York: Wiley Interscience p. Çengel, Y. A. e M. A. Boles. Therodynaics: An Engineering Aproach. Boston: McGraw-Hill Feng, W., H. V. D. Kooi, et al. Bioass conversion in subcritical and supercritical water: driving force, phase equilibria, and therodynaics analysis. Cheical Engineering Processing, v.43, n.12, 1 March, p

12 Guerra, D. R. D. S. Técnicas e Medidas Experientais - Critério de Chauvenet: UFPA 2005a.. Técnicas e Medidas Experientais - t Estatístico: UFPA 2005b. Kotas, T. J. The Exergy Method of Theral Power Plants. London: Butterworths p. Kwak, H. Y., D. J. Ki, et al. Exergetic and theroeconoic analyses of power plants. ENERGY, v.28, n.4, 12 March, p Moran, M. J. Availability analysis: a guide to efficient energy use. Englewood Cliffs: Prentice-Hall Moran, M. J. e H. N. Shapiro. Pricípios de Terodinâica para Engenharia. Rio de Janeiro: LTC p. Netto, G. B. F., A. G. D. P. Oliveira, et al. CARACTERIZAÇÃO ENERGÉTICA DE BIOMASSAS AMAZÔNICAS. AGRENER GD º Congresso Internacional sobre Geração Distribuida e Energia no Meio Rural. Capinas-SP, p. Sontag, R. E., C. Borgnakke, et al. Coputer-Aided Therodynaic Tables: John Wiley & Sons Fundaentals of Therodynaics. New York: Wiley Taxa de Juros de Epréstio Tillan, D. A. The Cobustion of solid Fuels and Wastes. London: Acadeic Press Ushia, A. H. Cobustão de Sólidos: IPT Zhong, C., C. J. Peters, et al. Therodynaic odeling of bioass conversion processes. Fluid Phase Equilibria, v.194, n.197, p ENERGETIC AND EXERGOECOMOMIC ANALYSES FOR A RESEARCH STEAM POWER PLANT FUELED BY BIOMASS Antonio Geraldo de Paula Oliveira Capus Universitário do Guaá, Lab. de Eng. Mecânica - LABGAS, Sala 5,Belé-PA-Brasil, CEP: ageraldo@ufpa.br Manoel Fernandes Martins Nogueira Capus Universitário do Guaá, Lab. de Eng. Mecânica, Sala 201, Belé-PA-Brasil, CEP: fn@ufpa.br Gonçalo Rendeiro Capus Universitário do Guaá, Lab. de Eng. Mecânica-LABVAPOR, Sala 1, Belé-PA-Brasil, CEP: rendeiro@ufpa.br Abstract The EBMA research group has a stea power pilot plant where bioass is burned to generate power, 5kW. This plant follows a siple Rankine cycle and was built to develop huan resource and to test the perforance of Aazon wood species as fuel in boilers supplying heat to generate power. This plant is well instruented and able to operate for long period of tie. This work perfored an energetic analysis of this plant as well as exergetic and econoic analysis. Mass and energy conservation equations were applied for each equipent together with the quantification of exergy lost in each coponent. The exergoeconoic odel was applied to calculate the econoic cost that each equipent has in order to process the energy and finally a cash flow of financial value of energy destroyed was obtained for each process. Keywords: exergy, exergoeconoic, bioass, stea power plant.