Valorização da Borra de Café: Otimização da Produção de Biodiesel por Catálise Enzimática

O decréscimo das reservas de petróleo e as consequências ambientais resultantes do recurso a combustíveis fósseis nos motores a diesel têm levado à procura de combustíveis alternativos. Esta pesquisa alicerçada nas fontes de energia renovável tornou-se essencial, face à crescente procura de energia e ao limitado fornecimento de combustíveis fósseis . Resíduos de óleo de cozinha, gordura animal, entre outros resíduos de origem biológica, tais como a borra de café, são exemplos de matérias-primas para a produção de biodiesel. A sua valorização tem interesse quer pela perspetiva ambiental, quer pela económica, pois aumenta não só a flexibilidade e diversificação das matérias-primas, mas também contribui para uma estabilidade de custos e alteração nas políticas agrícolas e de uso do solo. É neste contexto que se enquadra o biodiesel e a borra de café, pretendendo-se aqui efetuar o estudo da produção, à escala laboratorial, de biodiesel a partir da borra de café, por transesterificação enzimática, visando a procura das melhores condições reacionais. Iniciando-se com a caracterização da borra de café, foram avaliados antes e após a extração do óleo da borra de café, diversos parâmetros, de entre os quais se destacam: o teor de humidade (16,97% e 6,79%), teor de cinzas (1,91 e 1,57%), teor de azoto (1,71 e 2,30%), teor de proteínas (10,7 e 14,4%), teor de carbono (70,2 e 71,7%), teor de celulose bruta (14,77 e 18,48%), teor de lenhina (31,03% e 30,97%) e poder calorifico superior (19,5 MJ/kg e 19,9 MJ/kg). Sumariamente, constatou-se que os valores da maioria dos parâmetros não difere substancialmente dos valores encontrados na literatura, tendo sido evidenciado o potencial da utilização desta biomassa, como fonte calorifica para queima e geração de energia. Sendo a caracterização do óleo extraído da borra de café um dos objetivos antecedentes à produção do biodiesel, pretendeu-se avaliar os diferentes parâmetros mais significativos. No que diz respeito à caracterização do óleo extraído, distingue-se a sua viscosidade cinemática (38,04 mm2/s), densidade 0,9032 g/cm3, poder calorífico de 37,9 kcal/kg, índice de iodo igual a 63,0 gI2/ 100 g óleo, o teor de água do óleo foi de 0,15 %, o índice de acidez igual a 44,8 mg KOH/g óleo, ponto de inflamação superior a 120 ºC e teor em ácidos gordos de 82,8%. Inicialmente foram efetuados ensaios preliminares, a fim de selecionar a lipase (Lipase RMIM, TL 100L e CALB L) e álcool (metanol ou etanol puros) mais adequados à produção de biodiesel, pelo que o rendimento de 83,5% foi obtido através da transesterificação mediada pela lipase RMIM, utilizando como álcool o etanol. Sendo outro dos objetivos a otimização do processo de transesterificação enzimática, através de um desenho composto central a três variáveis (razão molar etanol: óleo, concentração de enzima e temperatura), recorrendo ao software JMP 8.0, determinou-se como melhores condições, uma razão molar etanol: óleo 5:1, adição de 4,5% (m/m) de enzima e uma temperatura de 45 ºC, que conduziram a um rendimento experimental equivalente a 96,7 % e teor de ésteres 87,6%. Nestas condições, o rendimento teórico foi de 99,98%. Procurou-se ainda estudar o efeito da adição de água ao etanol, isto é, o efeito da variação da concentração do etanol pela adição de água, para teores de etanol de 92%, 85% e 75%. Verificou-se que até 92% decorreu um aumento da transesterificação (97,2%) para um teor de ésteres de (92,2%), pelo que para teores superiores de água adicionada (75% e 85%) ocorreu um decréscimo no teor final em ésteres (77,2% e 89,9%) e no rendimento da reação (84,3% e 91,9%). Isto indica a ocorrência da reação de hidrólise em maior extensão, que leva ao desvio do equilíbrio no sentido contrário à reação de formação dos produtos, isto é, dos ésteres. Finalmente, relativamente aos custos associados ao processo de produção de biodiesel, foram estimados para o conjunto de 27 ensaios realizados neste trabalho, e que corresponderam a 767,4 g de biodiesel produzido, sendo o custo dos reagentes superior ao custo energético, de 156,16 € e 126,02 €, respetivamente. Naturalmente que não esperamos que, a nível industrial os custos sejam desta ordem de grandeza, tanto mais que há economia de escala e que as enzimas utilizadas no processo deveriam ser reutilizadas diversas vezes.

Estudo da gasificação do glicerol em reator de leito fixo

As metas da União Europeia para 2020 em termos de biocombustíveis e biolíquidos traduziram-se, na última década, num destaque da indústria de biodiesel em Portugal. Inerente ao processo de produção biodiesel está um subproduto, o glicerol bruto, cujo estudo tem vindo a ser alvo de interesse na comunidade científica. O objetivo principal deste trabalho consistiu no estudo da gasificação do glicerol técnico e do glicerol bruto, usando vapor como agente oxidante. Pretendeu-se avaliar a composição do gás de produção obtido e os parâmetros de gasificação, como a percentagem de conversão de carbono e de hidrogénio, o rendimento de gás seco, a eficiência de gás frio e o poder calorífico do gás produzido. No estudo da gasificação do glicerol técnico avaliou-se o efeito da temperatura na performance do processo, entre 750 – 1000 ºC, e estudou-se ainda o efeito do caudal de alimentação ao reator (3,8 mL/min, 6,5 mL/min e 10,0 mL/min). Para o caudal mais baixo, estudou-se o efeito da razão de mistura glicerol/água (25/75, 40/60, 60/40 e 75/25) e para a razão de mistura 60/40 foi avaliada a influência da adição de ar como agente gasificante. O estudo da gasificação do glicerol bruto foi feito realizando ensaios de gasificação numa gama de temperaturas de 750 ºC a 1000 ºC, para uma razão de mistura glicerol/água (60/40) com o caudal de 3,8 mL/min e usando apenas vapor de água como agente de gasificação. Os ensaios foram realizados num reator de leito fixo de 500 mm de comprimento e 90 mm de diâmetro interno, composto por um leito de alumina com partículas de 5 mm de diâmetro. O aquecimento foi realizado com um forno elétrico de 4 kW. A amostra de gás de produção recolhida foi analisada por cromatografia gasosa com detector de termocondutividade. Os resultados obtidos na gasificação do glicerol técnico, revelaram que a temperatura é uma variável preponderante no desempenho do processo de gasificação. À exceção do poder calorífico superior, para o qual se obteve uma ligeira diminuição de valores com o aumento da temperatura, os valores mais elevados dos parâmetros de gasificação foram obtidos para temperaturas superiores a 900 ºC. Esta temperatura parece ser determinante no modelo cinético de gasificação do glicerol, condicionando a composição do gás de produção obtido. Concluiu-se ainda que, na gama de caudais testada, o caudal de alimentação ao reator não teve influência no processo de gasificação. Os ensaios realizados para avaliar o efeito da razão de mistura permitiram verificar que, o aumento da adição de água à alimentação se traduz na redução do teor de CO e de CH4 e no aumento do teor de H2 e CO2, no gás de produção. Para a razão de mistura 25/75 foram obtidos valores de 1,3 para o rácio H2/CO para temperaturas superiores a 900 ºC. A influência da adição de água tornou-se mais evidente nos ensaios de gasificação realizados a temperaturas superiores a 900 ºC. Verificou-se um aumento da conversão de carbono, do rendimento de gás seco e da eficiência do gás frio e uma ligeira diminuição do poder calorífico e da potência disponível, no gás de produção. Para as razões de misturas 60/40 e 40/60 obtiveram-se resultados, para os parâmetros de gasificação, da mesma ordem de grandeza e com valores intermédios entre os obtidos para as razões de mistura 25/75 e 75/25. Porém, quanto maior o teor de água alimentado maior o consumo de energia associado à vaporização da água. Assim, o aumento do teor de água na mistura só apresentará interesse industrial se o objetivo passar pela produção de hidrogénio. Quanto ao efeito da adição de ar como agente de gasificação, os resultados obtidos dão indicação que se poderão potenciar algumas reações exotérmicas que contribuirão para a redução do consumo energético global do processo. Por outro lado, o gás de produção apresentou um rácio H2/CO interessante do ponto de vista da sua aplicação industrial, superior em 35 % ao verificado para a gasificação efetuada apenas na presença de vapor. À exceção do decréscimo no valor do poder calorífico superior do gás de produção, os restantes parâmetros estudados apresentaram a mesma ordem de grandeza, dos obtidos para o estudo da mesma razão de mistura na ausência de ar. Relativamente ao estudo da gasificação do glicerol bruto, obtiveram-se valores de rácio H2/CO e eficiência de gás frio mais elevados que os valores obtidos para a mesma razão de mistura usando glicerol técnico. Os demais parâmetros de gasificação avaliados mostraram-se semelhantes entre as duas matérias-primas, verificando-se apenas uma ligeira diminuição no valor do poder calorífico superior do gás produzido com glicerol bruto. Os resultados obtidos demonstram a possibilidade de valorização energética do glicerol bruto resultante da produção de biodiesel.

Avaliação do desempenho energético e da qualidade do ar de uma piscina coberta

Este trabalho teve como propósito fazer uma avaliação do desempenho energético e da qualidade do ar no interior das instalações de uma Piscina Municipal Coberta, localizada na zona norte de Portugal, sendo estabelecidos os seguintes objetivos: caracterização geral da piscina, no que respeita aos seus diferentes espaços e equipamentos, cálculo dos consumos térmicos e elétricos bem como o registo das concentrações de elementos poluentes para controlo da qualidade do ar no interior da piscina, tendo como base a legislação atualmente em vigor. A caracterização geral da piscina permitiu verificar algumas inconformidades como a temperatura da água nos tanques de natação que tem valores superiores aos recomendados e a sala de primeiros socorros que não possui acesso direto ao exterior. Acrescente-se que o pavimento nos chuveiros da casa de banho feminina e os valores de pH para água do tanque grande e pequeno não estão sempre dentro da gama de recomendação. O caudal da renovação de ar está a ser operado manualmente e quando está a funcionar a 50% da sua capacidade máxima, que acontece numa parte do dia, apenas consegue renovar 77,5% do caudal recomendado pelo RSECE. Para se obter o valor recomendado é necessário ter pelo menos 7 horas com o caudal a 100% da capacidade máxima. A avaria na UTA2 originou que 40% dos registos diários da humidade relativa interior estivessem fora da gama de valores recomendados e que esta é fortemente dependente da humidade no exterior e pode ser agravada quando as portas dos envidraçados da nave são abertas. Analisando ainda a quantidade de água removida na desumidificação do ar com a água evaporada em condições de Outono-Inverno ou Primavera-Verão, este estudo permitiu concluir que todas as combinações demonstraram a necessidade de desumidificação salvo a combinação Outono-Inverno e UTA2 a funcionar a 100% da sua capacidade máxima. Os isolamentos das tubagens na sala das caldeiras foram observados e comparados com as soluções recomendadas pelas empresas especialistas e verificou-se que alguns estão mal colocados com parcial ou total degradação, promovendo perdas térmicas. No caso das perdas calorificas por evaporação, estas representaram cerca de 67,78% das perdas totais. Como tal, estudou-se a aplicação de uma cobertura sobre o plano de água durante o período de inatividade da piscina (8 horas) e verificou-se que o resultado seria uma poupança de 654,8 kWh/dia, na ausência de evaporação da água, mais 88,00 kWh/dia do período da UTA2 a funcionar a 50% da sua capacidade, perfazendo um total de 742,8 kWh/dia. A aplicação da cobertura permite obter um VAL de valor positivo, uma TIR de 22,77% e sendo este valor superior ao WACC (Weight Average Cost of Capital), o projeto torna-se viável com um Pay-Back de 3,17 anos. Caracterizou-se também o consumo total diário em eletricidade, e verificou-se que as unidades de climatização, as bombas de circulação de água, a iluminação, e outros equipamentos representam, respetivamente, cerca de 67,81, 25,26, 2,68 e 3,91% da energia elétrica total consumida. Por fim, a análise à qualidade do ar no interior da nave em Maio e Setembro identificou que as concentrações de ozono apresentavam valores no limite do aceitável em Maio e superiores ao valor de emissão em Setembro. Os compostos orgânicos voláteis também apresentavam valores em Maio 4,98 vezes superior e em Setembro 6,87 vezes superior aos valores máximos exigidos pelo D.L. nº 79/2006. Houve ainda altas concentrações de radão registadas na casa dos filtros, em Maio com um valor 11,49 vezes superior, no entanto esse valor desceu em Setembro para 1,08 vezes, mesmo assim superior ao exigido pelo D.L. nº 79/2006.

Estudo da Viabilidade Técnico-Económica de umm Sistema de Cogeração para um Complexo de Piscinas Interiores

A presente dissertação centrou-se no estudo técnico-económico de dois cenários futuros para a continuação de fornecimento de energia térmica a um complexo de piscinas existente na região do vale do Tâmega. Neste momento a central de cogeração existente excedeu a sua licença de utilização e necessita de ser substituída. Os dois cenários em estudo são a compra de uma nova caldeira, a gás natural, para suprir as necessidades térmicas da caldeira existente a fuelóleo, ou o uso de um sistema de cogeração compacto que poderá estar disponível numa empresa do grupo. No primeiro cenário o investimento envolvido é cerca de 456 640 € sem proveitos de outra ordem para além dos requisitos térmicos, mas no segundo cenário os resultados são bem diferentes, mesmo que tenha de ser realizado o investimento de 1 000 000 € na instalação. Para este cenário foi efetuado um levantamento da legislação nacional no que toca à cogeração, recolheram-se dados do edifício como: horas de funcionamento, número de utentes, consumos de energia elétrica, térmica, água, temperatura da água das piscinas, temperatura do ar da nave, assim como as principais características da instalação de cogeração compacta. Com esta informação realizou-se o balanço de massa e energia e criou-se um modelo da nova instalação em software de modelação processual (Aspen Plus® da AspenTech). Os rendimentos térmico e elétrico obtidos da nova central de cogeração compacta foram, respetivamente, de 38,1% e 39,8%, com uma percentagem de perdas de 12,5% o que determinou um rendimento global de 78%. A avaliação da poupança de energia primária para esta instalação de cogeração compacta foi de 19,6 % o que permitiu concluir que é de elevada eficiência. O modelo criado permitiu compreender as necessidades energéticas, determinar alguns custos associados ao processo e simular o funcionamento da unidade com diferentes temperaturas de ar ambiente (cenários de verão e inverno com temperaturas médias de 20ºC e 5ºC). Os resultados revelaram uma diminuição de 1,14 €/h no custo da electricidade e um aumento do consumo de gás natural de 62,47 €/h durante o período mais frio no inverno devido ao aumento das perdas provocadas pela diminuição da temperatura exterior. Com esta nova unidade de cogeração compacta a poupança total anual pode ser, em média, de 267 780 € admitindo um valor para a manutenção de 97 698 €/ano. Se assim for, o projeto apresenta um retorno do investimento ao fim de 5 anos, com um VAL de 1 030 430 € e uma taxa interna de rentabilidade (TIR) de 14% (positiva, se se considerar a taxa de atualização do investimento de 3% para 15 anos de vida). Apesar do custo inicial ser elevado, os parâmetros económicos mostram que o projeto tem viabilidade económica e dará lucro durante cerca de 9 anos.

Estudo de uma bomba de calor de expansão direta assistida por energia solar para a preparação de AQS

Este estudo consiste na caracterização da eficiência energética de uma bomba de calor de expansão direta que utiliza a energia solar como fonte térmica. De uma forma geral, teve-se a obrigação de procurar cada vez mais recursos renováveis e neste sentido a bomba de calor de expansão direta tem um papel importante no aquecimento de águas quentes sanitárias (AQS). Como ponto de partida, foi realizada uma descrição detalhada sobre todos os equipamentos da bomba de calor e elaborado um desenho técnico que identifica todos os componentes. No laboratório (casa inteligente) realizaram-se vários ensaios a fim de interpretar com rigor os resultados obtidos do desempenho da bomba de calor (COP) e do fator médio de desempenho sazonal (SPF). No início, realizaram-se ensaios para determinar as perdas estáticas do sistema termodinâmico, de seguida foram elaborados ensaios segundo a norma EN 16147 e por fim, ensaios de acordo com o perfil de utilização de AQS definido. No estudo experimental do COP, obteve-se uma elevada eficiência energética com um valor médio de 4,12. O COP aumenta para valores médios de 5 quando a temperatura de água no termoacumulador desce para 35ºC. Verificou-se que durante o período diurno o COP aumenta aproximadamente de 10% relativamente ao período noturno. A potência elétrica é mais elevada (450W) quando a água no termoacumulador está perto da temperatura desejável (55ºC), originando um esforço maior da bomba de calor. No estudo experimental do SPF, verificou-se que nos ensaios segundo a norma EN16147 os valores obtidos variaram entre 1,39 e 1,50 (Classe “B”). No estudo realizado de acordo com o perfil de utilização de AQS definido pelo utilizador, o SPF é superior em 12% relativamente ao obtido segundo os ensaios realizados de acordo a norma EN16147. Verificou-se que o aumento da temperatura do ar exterior implica um aumento do SPF (cerca de 2% a 5%), enquanto a energia solar não influência nos resultados.

Fluência de materiais

A presente dissertação apresenta uma abordagem ao tema Fluência, com um desenvolvimento geral para quatro materiais: madeira, alumínio, betão e aço. No entanto, particularizou-se este estudo apenas para dois destes materiais, a madeira e o alumínio. A madeira é um material viscoelástico, logo fortemente influenciado quando submetido a uma ação constante (Fluência) sendo agravada com alterações do teor em água. Iniciou-se o estudo, com uma introdução aos objetivos principais e a revisão teórica do conhecimento da propriedade mecânica (Fluência). Efetuou-se o estudo inicial para os quatro materiais indicados. Posteriormente, fez-se avaliação do efeito mecânico sortivo durante 60 dias com sete ciclos, em provetes de dimensões 20 x 20 x 400 mm3 (escala 1:10) de madeira de Eucalyptus globulus Labill. Recorrendo ao levantamento de um conjunto de modelos numéricos, procedeu-se ao ajuste e extrapolação do comportamento, em Fluência, para distintos períodos de tempo (1, 10 e 50 anos). Os resultados obtidos demonstraram que a madeira de Eucalipto não apresenta um limite no seu comportamento em Fluência, logo instável para os 60 dias de duração de ensaio. Os diferentes modelos de Fluência (x6) apresentaram uma variabilidade crescente de resultados, de acordo com o aumento de extrapolação dos resultados. Para a espécie de madeira de Eucalipto constatou-se ainda, que o ajuste e extrapolação de deformação para 50 anos ultrapassaram os valores sugeridos pelo Eurocódigo 5. A última parte deste trabalho, incidiu sobre o desenvolvimento da metodologia do ensaio em flexão de 3 provetes de alumínio similares, cujas dimensões eram de 20 x 20 x 400mm3. O objetivo desta metodologia foi avaliar o seu comportamento em Fluência. Numa primeira fase, foi aplicada uma carga contante de 160 kN. E numa segunda fase, foi aplicada o dobro dessa carga sujeita adicionalmente a uma temperatura bastante superior à temperatura ambiente (a rondar os 50 oC). Conclusivamente verificou-se que o alumínio não apresenta deformação por Fluência, para as condições de ensaio apresentadas.

Estudo sobre viabilidade de produção descentralizada de energia à custa do efeito chaminé

A procura por alternativas ao atual paradigma energético, que se caracteriza por uma predominância indiscutível das fontes combustíveis fósseis, é o motivo primário desta investigação. A energia emitida pelo Sol que chega à Terra diariamente ultrapassa em várias ordens de grandeza a energia que a nossa sociedade atual necessita. O efeito chaminé é uma das formas de aproveitar essa energia. Este efeito tem origem no diferencial de temperaturas existente entre o interior e o exterior de uma chaminé, que provoca um gradiente nas massas volúmicas do fluido entre o interior e o exterior da chaminé, induzindo assim um fluxo de ar. Esta diferença de temperaturas radica na exposição da face exterior da chaminé à radiação solar. No sistema que nos propomos estudar, o ar entra na chaminé por pequenos orifícios situados na sua base, e, ao tomar contacto com as paredes internas da chaminé, aquece desde a temperatura ambiente, Ta, até à temperatura interna, Ti . Este aumento de temperatura torna o ar dentro da chaminé mais “leve” em comparação com o ar mais frio do exterior levando-o a ascender ao longo do interior da chaminé. Este escoamento contém energia cinética que pode, por exemplo, ser transformada em energia elétrica por intermédio de turbinas. A eficiência de conversão da energia será tanto maior quanto menor for a velocidade do ar a jusante da turbina. Esta tecnologia poderá ser instalada de forma descentralizada, como acontece com as atuais centrais concentradoras solares térmicas e fotovoltaicas localizadas na periferia de grandes cidades ou, alternativamente, poderá ser inserida no próprio tecido urbanístico. A investigação demonstra que as dimensões da chaminé, a irradiação e a temperatura do ar são os fatores com maior impacto na potência hidráulica gerada.