ESCOLA POLITÉCNICA DE MINAS GERAIS – POLIMIG

ESCOLA TÉCNICA VITAL BRASIL

GERAÇÃO DE ENERGIA TÉRMICA A BIOMASSA

Alessandro Eros, Allan Douglas, Otto Rodrigues, Karla Diniz, Ulissis Severino,

Jefferson Gonçalves, Luciano Pio, Marcus Vinicius, Robert Leles, Flávio

Henrique, Victor Clarck, Gleidson de Oliveira, Hudson Campos , Leandro

Costa, Caique Viana

BELO HORIZONTE - MG

2013

NOMES DOS INTEGRANTES DO GRUPO

Alessandro Eros

Alan Douglas

Otto Rodrigues

Karla Diniz

Ulissis Severino

Jefferson Gonçalves

Luciano Pio Marcus

Vinicius Robert

Leles Flávio

Henrique Victor

Victor Clarck

Gleidson de Oliveira

Hudson Campos

Leandro Costa

Caique Viana

TÍTULO DO TRABALHO: Geração de Energia a Biogás

Trabalho de Eletrotécnica apresentado à

Coordenação da Feira, como parte das exigências do edital de

participação da POLIVITAL 2013.

Aprovado em de de 2013.

Orintador: Prof. Cássio William

Ass.:

BELO HORIZONTE - MG

Dedicamos esse trabalho a todos que nos deram apoio e confiaram que a realização deste foi extremamente possível em especial o Professor Cássio William que confiou em nossa proposta e nos orientou na realização do mesmo.

IV

"A imaginação é mais importante que o conhecimento. Conhecimento auxilia por fora, mas só o amor socorre por dentro. Conhecimento vem, mas a sabedoria tarda."

Albert Einstein

V

INDICE DE FIGURAS

Figura 1 - Esquema de Ligação Biogás..................................................................................... 9

Figura 2 - Estocagem de lenha .................................................................................................. 10

Figura 3 - Lenha sendo consumida pelo fogo ......................................................................... 11

Figura 4 - Avaliação de arvores para o corte. .......................................................................... 12

Figura 5 - Ilustração de funcionamento de uma termoelétrica .............................................. 14

Figura 6 - Roda d'agua em funcionamento. ............................................................................. 15

Figura 7 - Representação básica de um gerador .................................................................... 16

Figura 8 - Imã com limalha de ferro em suas extremidades ................................................. 16

Figura 9 - Orientação do imã ...................................................................................................... 17

Figura 10 - Demonstração do fenômeno .................................................................................. 17

Figura 11 - Demonstração linha de indução (força) teórico. ................................................. 17

Figura 12 - Demonstração linhas de indução(força) com limalha de ferro ......................... 17

Figura 13 - Demonstração lei de Faraday ................................................................................ 18

Figura 14 - Gerador normalmente utilizado ............................................................................. 19

Figura 15 - Enrolamentos principais de um gerador............................................................... 19

Figura 16 - Visão explodida do projeto prático. ...................................................................... 19

Figura 17 - Visão geral do projeto pratico ................................................................................ 20

VI

INDICE DE TABELAS

Tabela 1 - Passo a passo de funcionamento de uma termoelétrica ................................... 14

VII

Sumário

INDICE DE FIGURAS ............................................................................................ 1

INDICE DE TABELAS ........................................................................................... VI

Resumo: ................................................................................................................ 8

Palavras - chave: ................................................................................................... 8

Introdução: ............................................................................................................. 8

Resumo Teórico:.................................................................................................... 9

Digestão Anaeróbia ....................................................................................................................... 9

Energia Térmica a Biomassa ........................................................................................................ 10

Usina Termoelétrica ............................................................................................. 13

Geração de Energia ..................................................................................................................... 15

Etapas da geração de energia ............................................................................. 15

Convertendo a energia mecânica cinética de rotação em energia elétrica ............................... 16

Princípios de um gerador ........................................................................................................ 16

Magnetismo ............................................................................................................................ 16

Indução Magnética .................................................................................................................. 17

Lei de Faraday ......................................................................................................................... 17

O gerador ................................................................................................................................ 18

Visão Geral da Apresentação .............................................................................. 19

Conclusão: ........................................................................................................... 20

Referências .......................................................................................................... 21

8

Resumo:

Gerar energia elétrica a partir do processo de termoelétrica

utilizando o biogás, este proveniente do processo da digestão anaeróbica mais

conhecida como biodigestor.

Espera-se, portanto que este trabalho desperte na população a

necessidade de desenvolver novas tecnologias sustentáveis e acessíveis para

aproveitamento dos resíduos orgânicos que conhecemos como biomassa1 e a

otimização dos processos produtivos já existentes.

Palavras - chave: Aproveitando resíduos para um futuro sustentável

Introdução:

A partir da crise do petróleo da década de 70, a economia das

nações dependentes desse energético vem sofrendo profundas modificações

na busca da substituição daquele produto por fontes de energia renováveis

No Brasil esforços foram desenvolvidos no sentido de se substituir o

petróleo e, dentre as fontes substitutivas desse energético foram pesquisados o

álcool, xisto, metanol, etc.

Uma das opções para a produção de energia, a baixo custo que vem

apresentando resultados favoráveis e já difundido em vários países é o biogás.

Apesar de ser conhecido a muito tempo, só mais recentemente os processos

de obtenção de biogás vêm se desenvolvendo sem objetivos práticos em maior

amplitude, objetivando sua utilização como energético. Dessa forma a partir de

1976 os estudos relativos ao seu aproveitamento foram intensificados. A ideia

da produção de biogás nas propriedades rurais, indiferentemente de suas

dimensões, em última análise, se associa ao atingimento de um quádruplo

objetivo, ou seja:

a) Proporcionar maior conforto ao rurícola permitindo-lhe dispor de

um combustível prático e barato que tanto poderá ser usado para fins de

calefação e iluminação, como ainda para acionar pequenos motores

estacionários de combustão interna. 1

Qualquer matéria orgânica que possa ser transformada em energia mecânica, térmica ou elétrica é

classificada como biomassa

9

b) Contribuir para a economia do consumo de petróleo, pois o biogás

é um combustível proveniente de fontes alternativas.

c) Produzir biofertilizante que é um resíduo rico em húmus e

nutrientes, utilizado na fertilização do solo, para aumentar a produtividade dos

cultivos face ao seu baixo custo de obtenção.

d) Contribuir para a preservação do meio ambiente pela produção de

biogás, o que consiste na reciclagem de dejetos e resíduos orgânicos

poluentes.

Diante deste contexto é importante destacar o Manual de Bioenergia

desenvolvido por cinco países da Europa, entre eles Portugal, Alemanha, Itália,

Holanda e Reino Unido define que a bioenergia é a energia obtida a partir da

biomassa – constitui uma alternativa possível, embora parcial, à aquisição de

combustível fósseis e, como tal, poderá estabelecer-se como variável

determinante na solução de muitos dos problemas energético-ambientais,

econômicos e até sociais.

Resumo Teórico:

Digestão Anaeróbia

A digestão anaeróbia, assim como a pirólise (carbonização), ocorre

na ausência de ar, porém nesse caso o processo consiste na decomposição do

material pela ação de microrganismos (bactérias acidogênicas e

metanogênicas). Trata-se de um processo simples, que ocorre naturalmente

com quase todos os compostos orgânicos.

Figura 1 - Esquema de Ligação Biogás

10

O tratamento e o aproveitamento energético de dejetos orgânicos

(esterco animal, resíduos industriais etc.) podem ser feitos pela digestão

anaeróbia em biodigestores, onde o processo é favorecido pela umidade e

aquecimento. O aquecimento é provocado pela própria ação das bactérias,

mas, em regiões ou épocas de frio, pode ser necessário calor adicional, visto

que a temperatura deve ser de pelo menos 35°C.

No Brasil, apesar do enorme potencial, ainda são poucas as usinas

termelétricas movidas a biogás em operação.

No final de 2009, a Aneel regulamentou a geração a partir do biogás

e sua comercialização. Pela Resolução Normativa nº 390/2009, qualquer

distribuidora de energia elétrica pode fazer chamadas públicas para comprar

eletricidade produzida por biodigestores. Seguindo as exigências da Aneel em

relação à qualidade da energia, os produtores poderão enviar a eletricidade

para a linha de distribuição, em vez de somente consumir.

Energia Térmica a Biomassa

As principais rotas tecnológicas são analisadas no estudo sobre

biomassa constante do Plano Nacional de Energia 2030 e resumidas a seguir:

Figura 2 - Estocagem de lenha

Ciclo a vapor com turbinas de contrapressão: É empregado de forma

integrada a processos produtivos por meio da cogeração. Nele, a biomassa é

queimada diretamente em caldeiras e a energia térmica resultante é utilizada

na produção do vapor. Este vapor pode acionar as turbinas usadas no trabalho

mecânico requerido nas unidades de produção e as turbinas para geração de

energia elétrica. Além disso, o vapor que seria liberado na atmosfera após a

realização desses processos pode ser encaminhado para o atendimento das

11

necessidades térmicas do processo de produção. Este processo está maduro

do ponto de vista comercial e é o mais disseminado atualmente. O Brasil conta,

inclusive, com diversos produtores nacionais da maior parte dos equipamentos

necessários.

Ciclo a vapor com turbinas de condensação e extração: Consiste na

condensação total ou parcial do vapor ao final da realização do trabalho na

turbina para atendimento às atividades mecânicas ou térmicas do processo

produtivo. Esta energia a ser condensada, quando inserida em um processo de

cogeração, é retirada em um ponto intermediário da expansão do vapor que irá

movimentar as turbinas. A diferença fundamental desta rota em relação à

contrapressão é a existência de um condensador na exaustão da turbina e de

níveis determinados para aquecimento da água que alimentará a caldeira. A

primeira característica proporciona maior flexibilidade da geração termelétrica

(que deixa de ser condicionada ao consumo de vapor de processo). A segunda

proporciona aumento na eficiência global da geração de energia. Este sistema,

portanto, permite a obtenção de maior volume de energia elétrica. No entanto,

sua instalação exige investimentos muito superiores aos necessários para

implantação do sistema simples de condensação.

Figura 3 - Lenha sendo consumida pelo fogo

Ciclo combinado integrado a gaseificação da biomassa: A

gaseificação é a conversão de qualquer combustível líquido ou sólido, como a

biomassa, em gás energético por meio da oxidação parcial em temperatura

elevada. Esta conversão, realizada em gaseificadores, produz um gás

combustível que pode ser utilizado em usinas térmicas movidas a gás para a

produção de energia elétrica. Assim, a tecnologia de gaseificação aplicada em

maior escala transforma a biomassa em importante fonte primária de centrais

de geração termelétrica de elevada potência, inclusive aquelas de ciclo

12

combinado, cuja produção é baseada na utilização do vapor e do gás, o que

aumenta o rendimento das máquinas. A tecnologia de gaseificação de

combustíveis é conhecida desde o século XIX e foi bastante utilizada até os

anos 30, quando os derivados de petróleo passaram a ser utilizados em grande

escala e adquiridos por preços competitivos. Ela ressurgiu nos anos 80 –

quando começou a ficar evidente a necessidade de contenção no consumo de

petróleo – mas, no caso da biomassa, ainda não é uma tecnologia competitiva

do ponto de vista comercial. Segundo o Plano Nacional de Energia 2030, a

maior dificuldade para a sua aplicação não é o processo básico de

gaseificação, mas a obtenção de um equipamento capaz de produzir um gás

de qualidade, com confiabilidade e segurança, adaptado às condições

particulares do combustível e da operação.

Figura 4 - Avaliação de arvores para o corte.

A biomassa sólida tem como fonte os produtos e resíduos da

agricultura (incluindo substâncias vegetais e animais), os resíduos das florestas

e a fração biodegradável dos resíduos industriais e urbanos.

A biomassa líquida existe em uma série de bicombustíveis líquidos

com potencial de utilização, todos com origem nas chamadas “culturas

energéticas”. São exemplos o biodiesel, obtido a partir de óleos de colza ou

girassol; o etanol, produzido com a fermentação de hidratos de carbono

(açúcar, amido, celulose); e o metanol, gerado pela síntese do gás natural.

A biomassa gasosa é encontrada nos efluentes agropecuários

provenientes da agroindústria e do meio urbano. É achada também nos aterros

de RSU (resíduos sólidos urbanos). Estes resíduos são resultado da

degradação biológica anaeróbia da matéria orgânica, e são constituídos por

uma mistura de metano e gás carbônico. Esses materiais são submetidos à

combustão para a geração de energia.

13

O biogás é obtido a partir da biomassa contida em dejetos (urbanos,

industriais e agropecuários) e em esgotos, que passa naturalmente do estado

sólido para o gasoso por meio da ação de microorganismos que decompõem a

matéria orgânica em um ambiente anaeróbico.

Neste caso, o biogás é lançado à atmosfera e passa a contribuir

para o aquecimento global, uma vez que é composto por metano (CH4),

dióxido de carbono (CO2), nitrogênio (N2), hidrogênio (H2), oxigênio (O2) e gás

sulfídrico (H2S). A utilização do lixo para produção de energia permite o uso

deste gás, além da redução do volume dos dejetos em estado sólido. A

geração de energia por esta fonte permite a redução dos gases causadores do

efeito estufa e contribui para o combate à poluição do solo e dos lençóis

freáticos.

Existem três rotas tecnológicas para a utilização do lixo como fonte

energética. Uma delas, a mais simples e disseminada, é a combustão direta

dos resíduos sólidos. Outra é a gaseificação por meio da termoquímica

(produção de calor por meio de reações químicas).

Finalmente, a terceira (e mais utilizada para a produção do biogás) é

a reprodução do processo natural em que a ação de microorganismos em um

ambiente anaeróbico produz a decomposição da matéria orgânica e, em

consequência, a emissão do biogás.

Existem várias rotas tecnológicas para obtenção da energia elétrica

a partir da biomassa. Todas preveem a conversão da matéria-prima em um

produto intermediário que será utilizado em uma máquina motriz. Essa

máquina produzirá a energia mecânica que acionará o gerador de energia

elétrica.

Usina Termoelétrica

A usina termoelétrica é uma instalação industrial que produz

energia a partir do calor gerado pela queima de combustíveis fósseis (como

carvão mineral, óleo, gás, e como proposto neste trabalho pelo biogás,

entre outros) ou por outras fontes de calor (como a fissão nuclear, em usinas

nucleares).

14

Primeiramente aquece-se uma caldeira com água, essa água será

transformada em vapor d’água em alta pressão, cuja a força irá movimentar

as pás de uma turbina que por sua vez movimentará um

gerador.

Figura 5 - Ilustração de funcionamento de uma termoelétrica

Chamam-se Termoelétricas por que são constituídas de 2 partes,

uma térmica onde se produz muito vapor a altíssima pressão e outra elétrica

onde se produz a eletricidade.

1

A Energia Elétrica é produzida por um Gerador.

2

O Gerador possui um eixo que é movido por uma Turbina.

3

A Turbina é movida por um Jato de Vapor de grande pressão. Depois do uso, o vapor é jogado fora na atmosfera.

4

O Vapor é produzido por uma Caldeira.

5

A Caldeira é Aquecida com a queima do biogás.

Tabela 1 - Passo a passo de funcionamento de uma termoelétrica

15

Figura 6 - Roda d'agua em funcionamento.

As vantagens é que podem ser construídas próximas a centros

urbanos, diminuindo as linhas de transmissões e desperdiçando menos

energia. Também são usinas que produzem uma quantidade constante de

energia elétrica durante o ano inteiro, ao contrário das hidrelétricas, que tem a

produção dependente do nível dos rios. No Brasil, as térmicas complementam

a matriz energética de hidrelétricas, sendo ligadas apenas quando há

necessidade (como em períodos de estiagem).

Geração de Energia

A geração de energia elétrica é a transformação de qualquer tipo de

energia em energia elétrica. Esse processo ocorre em duas etapas. Na 1a

etapa uma máquina primária transforma qualquer tipo de energia, normalmente

hidráulica ou térmica, em energia mecânica cinética de rotação. Em uma 2a

etapa um gerador elétrico acoplado à máquina primária transforma a energia

mecânica cinética de rotação em energia elétrica.

Etapas da geração de energia

Produção de energia mecânica cinética de rotação

Temos várias formas de produzir energia mecânica como: Hidráulica, Carvão,

Nuclear, Solar e Biogás, dentre várias outras formas de obter-se energia

mecânica cinética de rotação. Um dos primeiros geradores de energia mecânica

foi o hidráulico, pois aproveita-se a força da agua cuja a mesma atua pelo efeito

do peso e da velocidade da agua fazendo girar uma roda conectada a um eixo

conhecido como roda d’agua, a partir desse princípio temos hoje grades

hidroelétricas que se utilizam dessa forma de energia mecânica.

16

Figura 8 - Imã com limalha de ferro em suas extremidades

Convertendo a energia mecânica em energia elétrica

Princípios de um gerador

O gerador funciona convertendo a energia mecânica contida na rotação do eixo

do mesmo que faz com que a intensidade de um campo magnético produzido por

um imã que atravessa um conjunto de enrolamentos que varie.

Figura 7 - Representação básica de um gerador

Magnetismo

Imãs (do grego, corpos que se amam) - São constituídos de

magnetita(Fe3O4) que lhes proporcionam as seguintes propriedades:

I. Quando colocados na presença de pequenas limalhas(fragmentos) de

ferro, provocam atração nas mesmas. As limalhas se concentram de forma mais

acentuada nas bordas de um imã em forma de barra. Estas bordas são

denominadas “ pólos do imã ”.

17

II. Quando suspensos pelo centro de gravidade, orientam-se

aproximadamente na direção Norte-Sul geográfica.

Indução Magnética

Quando uma pequena bússola é colocada no interior de um campo

magnético, a sua tendência é alinhar-se tangencialmente à LI, com o pólo

NORTE apontando no sentido do campo.

Figura 10 - Demonstração do fenômeno

Convenciona-se que as linhas de indução saem do pólo Norte para o

pólo Sul. Na realidade elas são curvas fechadas que no Interior do imã se

orientam do Sul para o Norte.

Lei de Faraday

N

S

Norte geográfico

Sul geográfico

Figura 9 - Orientação do imã

Figura 11 - Demonstração linhas de

indução(força) com limalha de ferro

Figura 12 - Demonstração linha

de indução (força) teórico.

18

Lei de Faraday

“Em todo condutor enquanto sujeito a uma variação de fluxo magnético

é estabelecida uma força eletromotriz (tensão) induzida”.

Processos básicos para a geração de uma FEM (força eletromotriz) ,

por meio da indução eletromagnética:

• pelo movimento de um condutor dentro do campo magnético;

• movendo-se o campo, permanecendo fixo o condutor;

• variando o fluxo do campo magnético, mediante a variação da

corrente que produz o campo magnético.

O gerador

A energia mecânica (muitas vezes proveniente de uma turbina

hidráulica, à gás ou a vapor) é utilizada para fazer girar o rotor, através desse

movimento começa ocorrer o fenômeno de indução eletro magnética, pois

estabelece um campo que denominamos de campo principal e surgirá tensão

induzida. A partir desse ponto, começa todo processo e obtém-se tensão

induzida no circuito do rotor, que por sua vez, passa a percorrer corrente elétrica

através desse circuito gerando um fluxo magnético no mesmo. Através da Lei da

indução de Faraday induz uma tensão nos terminais dos enrolamentos principais

que ao serem conectados a cargas levam a circulação de correntes

elétricas pelos enrolamentos e pela carga.

Figura 13 - Demonstração lei de Faraday

19

Visão Geral da Apresentação

Trata-se de uma pequena caldeira feita com tubo de aço de Ø6” com

ambos os lados fechados, no qual será soldado um tubinho de cobre por onde

o vapor será direcionado para a turbina. Através de outro orifício pode-se

abastecer a caldeira com água. Após colocado água na caldeira, metade de

sua capacidade total.

tubo de 6” de diâmetro, tubo de cobre, turbina, pás, 2 suportes

Figura 16 - Visão explodida do projeto prático.

Figura 15 - Enrolamentos principais de

um gerador Figura 14 - Gerador normalmente utilizado

20

Essa caldeira, parcialmente cheia de água, é colocada horizontalmente

sobre uma pequena 'fornalha'.

Em frente à saída do tubinho, também horizontal, coloca-se a

turbina, semelhante a uma roda d'água. Quando a água ferve o vapor

produzido é expulso sob pressão, num jato horizontal, o qual movimenta a

turbina.

Uma correia passando por uma polia fixada nessa roda e por outra

pequena polia presa ao eixo de um gerador. Essa adaptação do gerador

elétrico à turbina; um verdadeiro modelo de uma usina termoelétrica:

Conclusão:

A Energia Elétrica é uma das formas de energia mais úteis para a

humanidade. Ela fornece luz, calor, força para o funcionamento de máquinas,

comodidade para as pessoas, entre outros benefícios. Com a geração de

energia elétrica através do biogás observamos que esse processo é útil a

natureza, pois se trata de energia limpa onde todo o material é aproveitado

retribuindo para a sustentabilidade do mundo.

No Instituto Fraunhofer na Alemanha já existem projetos para

utilização do lixo orgânicos das residências para produção energia elétrica e

térmica através do biogás proveniente da decomposição do lixo. Cada

residência poderá gerar sua própria energia para consumo. Ajudando na

redução do volume dos dejetos em estado sólido em aterros sanitários.

É um campo de pesquisa com grande potencial e ampla aplicação

no campo da eletrotécnica.

Figura 17 - Visão geral do projeto pratico

21

Referências

Site http://cenbio.iee.usp.br/saibamais/tecnologias.htm Centro Nacional de

Referência em Biomassa acessado em 01/10/2013 às 09h20min

Site elementar energias renováveis http://www.elementarenergia.com.br/areas-

de-atuacao/energia-termica-a-biomassa.html acessado em 01/09/2013 às

9h35min

Site da câmara de comercialização de energia elétrica

http://www.ccee.org.br/portal/faces/pages_publico/onde-

atuamos/fontes?_afrLoop=262755208283000#%40%3F_afrLoop%3D2627552

08283000%26_adf.ctrl-state%3Dlj592s7k6_17 acessado em 01/10/2013 às

09h40min

Site http://www.infoescola.com/fisica/usina-termoeletrica/ acessado em

01/10/2013 às 9h50min

Site http://www.feiradeciencias.com.br/sala22/Motor08.asp acessado em

01/10/2013 às 10h00min

Site http://eletrotecpolimig2013.forumeiros.com/t1-maquinas-eletricas-professor-romulo

acessado em 23/10/2013 ás 01h35min

Sitehttp://1.bp.blogspot.com/_RYQULtAnGWQ/TDdiFkhpNzI/AAAAAAAAACM/tgCPC_w

dmQY/s1600/dsc01983.jpg acessado em 23/10/2013 ás 00h45min

Site http://www.feg.unesp.br/energiasrenovaveis/rodadagua.htm acessado em

23/10/2013 em 23/10/2013 ás 00h25min