Análise termodinâmica de uma central de biomassa lenhosa

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Portugal é um país deficitário em fontes de energia não renováveis, mas dispõe de potencialidades significativas no domínio das fontes renováveis, que devidamente aproveitadas podem ajudar a colmatar a deficiência apontada. No caso da biomassa, em particular a de origem florestal, o nosso país tem imensos recursos, pois 38% do território nacional é constituído por florestas. Dispondo deste recurso, o número de centrais termoeléctricas tem vindo a aumentar, embora o rendimento energético seja baixo. Urge assim, um estudo aprofundado que permita conhecer melhor os ciclos termodinâmicos das centrais. A queima da biomassa é difícil, pelo que é importante conhecer certos parâmetros de operação e sua variação ao longo do tempo, de forma a melhorar o rendimento da central. Para tal é necessário modelar o ciclo termodinâmico e fazer uma análise de sensibilidade. É neste âmbito que surge o trabalho de dissertação. Foi feita uma pesquisa e um estudo das técnicas actuais de conversão da biomassa, dos problemas existentes e das características do combustível, em particular do seu teor de humidade e dimensão, que influenciam a sua conversão. Através da realização de um estágio numa Central, foi estudado o seu processo de funcionamento, desde a admissão da biomassa à caldeira até à produção de energia eléctrica, com o objectivo de fazer uma análise termodinâmica ao seu ciclo de vapor. Não tendo acesso à memória descritiva da Central, várias foram as condicionantes e dificuldades com que deparamos, mas foi possível fazer a análise termodinâmica. Para tal, decidiu-se recorrer a uma ferramenta computacional, o Cycle-Tempo, para efectuar a simulação do ciclo termodinâmico, após um levantamento de software disponíveis. Dispor-se de uma ferramenta que permita fazer a modelação de uma central, mesmo já em pleno funcionamento, é extremamente vantajoso pois permite descrever a operação da central, diagnosticar avarias, testar hipóteses e melhorar o ciclo. Recolhidos os parâmetros de funcionamento da Central, foi necessário introduzir pequenas modificações, no decurso do trabalho, no Cycle-Tempo. Após a modelação do ciclo, exploraram-se as vantagens atrás referidas, realizando uma análise de sensibilidade a diversos parâmetros de operação: pressão da caldeira, perda de carga na caldeira mantendo a pressão de saída, temperatura do vapor sobreaquecido, pressão no condensador, temperatura da água de arrefecimento, rendimento isentrópico associado às turbomáquinas, pressão de funcionamento do desgaseificador, potência do gerador. Fez-se ainda uma análise simultânea a vários parâmetros de funcionamento. Dado que o Cycle-Tempo também permite fazer balanços exergéticos, e atendendo a que o estudo do conceito de exergia foi recentemente introduzido na unidade curricular de Termodinâmica Aplicada do DEMI, aproveitou-se para concretizar o balanço exergético a uma central completa. Para concretizar o cálculo foi necessário determinar a exergia do Eucalyptus Globulus. No decorrer do trabalho, identificaram-se limitações no software Cycle-Tempo que motivaram o recurso a uma folha de cálculo, associada à base de propriedades termodinâmicas FluidProp, como processo alternativo à modelação do ciclo. Conseguiu-se modelar o ciclo no Cycle-Tempo depois de identificar e simplificar componentes do ciclo que impossibilitavam uma solução numérica. Da análise de sensibilidade, verificou-se que os parâmetros que mais influenciavam o rendimento do ciclo são a temperatura de sobreaquecimento e a pressão de condensação (influenciada pela temperatura da água de arrefecimento). A pressão do desgaseificador também influencia o rendimento do ciclo, mas a encontrada, 13 bar, é demasiado elevada face à actual de 3 bar, para se considerar um aumento. Tal como em outras áreas do conhecimento, na modelação termodinâmica, a informática também permite, num menor espaço de tempo e com menos esforço, estudar um grande número de configurações, de forma a rentabilizar o ciclo.