Simulação de um processo de pirólise rápida de biomassa

Mestrado em Engenharia Química - Ramo Optimização Energética na Indústria Química

Estudo do comportamento térmico de uma caldeira com ante-fornalha alimentada a biomassa florestal

As caldeiras são equipamentos de extrema importância na maioria das indústrias portuguesas. É prática frequente os projectos de caldeiras possuírem apenas cálculos de materiais ou estruturais, nunca abordando as questões térmicas das mesmas. Neste contexto surge o presente trabalho que teve como principal objectivo estudar e modelar o comportamento térmico de uma caldeira alimentada a biomassa florestal. A caldeira em estudo é uma caldeira tubos de fumo com ante-fornalha, alimentada a biomassa e com pressão de funcionamento de 10 bar. A primeira parte do trabalho consistiu no levantamento de toda a informação relativa aos aspectos construtivos da caldeira e as condições de operação da mesma, através da consulta do seu projecto. O estudo do comportamento térmico da caldeira foi dividido em 2 partes: a modelação do comportamento térmico na ante-fornalha seguido da modelação do comportamento térmico do feixe tubular. Na ante fornalha admitiu-se que o calor seria transferido do gás para as paredes da mesma por convecção e por radiação, tendo-se utilizado o Método de Hottel para modelar a transferência de calor por radiação. No feixe tubular a transferência de calor por radiação foi desprezada, tendo-se considerado apenas transferência de calor por condução e convecção entre os gases quentes e a água. Os resultados obtidos mostram que, na ante-fornalha, o peso da potência transferida por radiação (96%) é muito superior à potência transferida por convecção (4%), tendo-se obtido os valores de 384,8 kW e de 16,0 kW para a potência térmica transferida por radiação e por convecção, respectivamente. O valor obtido para a temperatura dos gases na ante-fornalha foi de 1085 K. No feixe tubular a potência térmica transferida por convecção foi de 2559 kW tendo-se obtido o valor de 240ºC para a temperatura de exaustão dos gases pela chaminé. As perdas para o exterior foram estimadas em 1,5 %. O balanço global de energia à caldeira indicou um peso para a potência transferida por convecção de 86,3% e para a potência transferida por radiação de 13,6%. O rendimento da caldeira foi calculado pelo método das perdas tendo-se obtido o valor de 39%.

Estudo de viabilidade técnico-económica da instalação de caldeiras a biomassa para o aquecimento central do ISEP

Neste projeto pretende-se utilizar uma fonte energética renovável (nomeadamente a biomassa), no âmbito da produção de água quente para aquecimento central das instalações do Instituto Superior de Engenharia do Porto (ISEP). O objetivo principal remete para a avaliação técnico-económica da substituição das quinze caldeiras existentes, alimentadas a gás natural, por seis caldeiras alimentadas a biomassa, nomeadamente a pellets. Desta forma, permite-se apostar na biomassa como uma alternativa para reduzir a dependência dos combustíveis fósseis. Neste trabalho apresenta-se uma comparação realista do sistema de aquecimento existente face ao novo a implementar, alimentado por um combustível renovável utilizando caldeiras a pellets de 85% de rendimento. Para realizar esta comparação, usou-se as faturas energéticas de gás natural do ISEP, o custo da quantidade equivalente necessária de pellets, os custos de manutenção dos dois tipos de caldeiras e, os custos do consumo de energia elétrica por parte de ambas as caldeiras. Com este estudo, estimou-se uma poupança anual de 84.100,76 €/ano. Determinaram-se experimentalmente, em laboratório, os parâmetros essenciais de uma amostra de pellets, que foram usados para calcular as necessidades energéticas em biomassa no ISEP, bem como a produção de cinzas gerada por parte das caldeiras. Foi proposto um destino ambientalmente adequado para os 788,5 kg/ano de cinzas obtidas – a utilização na compostagem, após tratamento e aprovação de ensaios ecotoxicológicos realizados pela empresa que fará a sua recolha. As caldeiras a pellets terão um consumo mínimo teórico de 16,47 kgpellets/h, consumindo previsivelmente 197,13 tpellets/ano. Para este efeito, serão usadas caldeiras Quioto de 150 kW da marca Zantia. Para comparar distintas possibilidades de investimento para o projeto, avaliaram-se dois cenários: um foi escolhido de forma a cobrir o somatório da potência instalada das caldeiras atuais e o outro de forma a responder aos consumos energéticos em aquecimento atuais. Além disso, avaliaram-se cenários de financiamento do investimento distintos: um dos cenários corresponde ao pagamento do investimento total do projeto no momento da aquisição das caldeiras, enquanto o outro cenário, mais provável de ser escolhido, refere-se ao pedido de um empréstimo ao banco, no valor de 75% do investimento total. Para o cenário mais provável de investimento, obteve-se um VAL de 291.364,93 €/ano, com taxa interna de rentabilidade (TIR) de 17 %, um índice de rentabilidade (IR) de 1,85 e um período de retorno (PBP) de 5 anos. Todos os cenários avaliados registam rentabilidade do projeto de investimento, sem risco para o projeto.

Estudo de viabilidade para a instalação de uma central piloto para geração de energia elétrica a partir de biomassa na ilha do Príncipe (R.D. de S. Tomé e Príncipe)

O referido projeto tem como objetivo principal a avaliação das capacidades técnicas, económicas e ambientais da ilha do Príncipe (República democrática de S. Tomé e Príncipe) para possibilitar a instalação de uma central piloto (500 kW) de produção de energia elétrica a partir de biomassa captada proveniente de la floresta (resíduos florestais) e campos agrícolas(resíduos agrícolas) com intuito de aumentar a potência total instalada na ilha. S. Tomé e Príncipe é um país subdesenvolvido e partilha de um dos maiores problemas dos países dessa categoria, a precária produção e distribuição da energia elétrica a população. Em S. Tomé e Príncipe estes problemas são derivados a fraca potência instalada e dependência de combustíveis fósseis. Especificamente na ilha do Príncipe, a situação é ainda mais complicada, situação prendesse com o facto de que o transporte de combustível da Ilha de S. Tomé para a ilha do Príncipe não se processar num regime contínuo, devido ao aumento do consumo pela população da Ilha do Príncipe conjugado com a fraca potência instalada e a falta de condições ideais de armazenamento de combustível, o que origina muitas falhas na distribuição de eletricidade ou uma racionalidade na sua distribuição. A racionalidade de distribuição de eletricidade na ilha do Príncipe segue o princípio de fornecimento em momentos de maior necessidade, isto é: horários em que as famílias se encontram juntas em suas casas (18 as 24h), períodos de maior produtividade da ilha (8 as 12h), com interregnos de várias horas na distribuição. Este princípio não respeita instituições como os hospitais onde a necessidade de energia elétrica permanente é uma necessidade. Outra motivação para a elaboração deste projeto é o facto de que a ilha do Príncipe a partir de ano 2012 passou a ser uma reserva da Biosfera da UNESCO. Este facto obrigou obviamente a ilha do Príncipe a ter uma maior preocupação com a sustentabilidade ambiental. Perante essas necessidades, surgiu a necessidade de criação de um projeto que tentasse cobrir as lacunas elétricas da Ilha do Príncipe. O projeto é ambicioso, não só para S. Tomé e Príncipe, mas também para todos os países da região e principalmente aqueles com grande potencialidade em biomassa florestal e agrícola.

Dimensionamento do Sistema Híbrido para Alimentação de Energia Elétrica da Escola Rural de Nangade (Cabo Delgado)

Os combustíveis fósseis, como o carvão, o petróleo e o gás, constituem fontes de energia que em breve se esgotarão e que são demasiado caras para serem desperdiçadas pelas centrais elétricas na produção de electricidade. Para além desse facto, existem outros argumentos (sobretudo económicos) que inviabilizam a utilização destas fontes de energia em algumas regiões, abrindo caminho a fontes de energia alternativas (e.g. solar, eólica, biomassa, mini-hídricas, geotérmicas, etc) e preferencialmente com contornos locais. No caso particular de Moçambique, tem-se verificado um interesse crescente por parte do governo e de várias ONGs na promoção do uso de energias alternativas para as zonas onde a energia convencional não chega e não chegará, devido aos custos muito elevados que esse processo acarretaria. Esta dissertação apresenta um estudo aprofundado do dimensionamento dum sistema híbrido de geração de energia elétrica envolvendo gerador FV e grupo eletrogéneo de emergência para a Escola Rural da Nangade, situada no Distrito de Nangade, na Província do Cabo Delgado. São também descritos os diversos componentes e as tecnologias associadas a um sistema deste género, com a inclusão de sistemas inteligentes de controlo de energia com a utilização de inversores bidireccionais (inversores de bateria e carregadores) para sistemas isolados. Os resultados são apresentados de forma a facilitar a aplicação e montagem deste tipo de sistemas in loco. Espera-se que esta dissertação possa servir de base no futuro próximo, para a implementação deste tipo de sistemas para permitir a melhoria da qualidade de ensino através de melhores infraestruturas, democratizando desta forma o acesso à educação para as crianças das zonas rurais das várias províncias de Moçambique. Como as energias renováveis são parte integrante do Sistema Elétrico Nacional, apresenta-se resumidamente, no anexo 17, o “Plano de Desenvolvimento na Área de Energia de Moçambique”.

Viabilidade económica e energética do biodiesel produzido a partir de Chlorella vulgaris

Contemporaneamente o Homem depara-se com um dos grandes desafios que é o de efetivar a transição para um futuro sustentável. Assim, o setor da energia tem um papel fundamental neste processo de transição, com principal enfoque no setor dos automóveis, sendo este um setor que contribui com elevadas quantidades de gases de efeito estufa libertados para a atmosfera. Também a escassez dos recursos petrolíferos constitui um ponto fundamental no tema apresentado. Com a necessidade de combater esses problemas é que se tem vindo a tentar desenvolver combustíveis renováveis e neutros quanto às emissões. A primeira geração de biocombustíveis obtidos através de culturas agrícolas terrestres preenche em parte esses requisitos, porém, não atinge os valores da procura e ainda competem com a produção de alimentos. Daí o interesse na aposta de uma segunda geração de biocombustíveis produzidos de fontes que não pertencem à cadeia alimentar e são residuais mas, que mesmo assim não permitem satisfazer as necessidades de matériaprima. A terceira geração de biocombustíveis vem justamente responder a estas questões pois assenta em matérias-primas que não competem pela utilização do solo agrícola nem são usadas para fins alimentares, tendo produtividades areais substancialmente superiores às que as culturas convencionais ou biomassas residuais conseguem assegurar. A matéria prima de terceira geração são portanto as microalgas, cujas produtividades em biomassa são extremamente elevadas, para além de produtividades muito superiores em lípidos, hidratos de carbono e/ou outros produtos de valor elevado. No entanto, este tipo de produção de biocombustível ainda enfrenta alguns problemas técnicos que o tornam num processo dispendioso para competir economicamente com outros tipos de produção de biodiesel. Na linha do que foi dito anteriormente, este trabalho apresenta um estudo de viabilidade económica e energética do biodiesel produzido através da Chlorella vulgaris, apresentando as técnicas e resultados de cultivo da Chlorella vulgaris e posteriormente de produção do biodiesel através dos lípidos obtidos através da mesma. Para melhorar a colheita das microalgas, que é uma das fases mais dispendiosas, testou-se o aumento de pH e a adição de um floculante (Pax XL-10), sendo que o primeiro não permitiu obter resultados satisfatórios, enquanto o segundo permitiu obter resultados de rendimento na ordem dos 90%. Mesmo com a melhoria da etapa da colheita, o preço mínimo do biodiesel produzido a partir do óleo de Chlorella vulgaris, com as condições ótimas de cultivo e produtividades máximas encontradas na literatura, foi de 8,76 €/L, pois, na análise económica, o Pax XL-10 revelou-se extremamente caro para utilizar na floculação de microalgas para obtenção de um produto de baixo valor, como é o biodiesel. A não utilização da floculação reduz o preço do biodiesel para 7,85 €/L. O que se pode concluir deste trabalho é que face às técnicas utilizadas, a produção de biodiesel Chlorella vulgaris apenas, não é economicamente viável, pelo que para viabilizar a sustentabilidade do processo seria ainda necessário desenvolver mais esforços no sentido de otimizar a produção de biodiesel, eventualmente associando-a à produção de um outro biocombustível produzido a partir da biomassa extraída residual e/ou da recuperação de outros produtos de maior valor.

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.

Cultivo e avaliação do potencial da microalga Chlorella zofingiensis para a produção de biodiesel e produtos de valor acrescentado

O presente trabalho tem como objetivo o cultivo da microalga Chlorella zofingiensis, e a avaliação da sua potencial aplicação na produção de biodiesel e de produtos de valor acrescentado, de entre os quais se destacam os antioxidantes. Com o intuito da produção de biocombustível é necessário efetuar o cultivo da microalga num volume que permita a obtenção de elevada quantidade de biomassa para a concretização do trabalho. Além deste biocombustível, existe ainda a possibilidade de valorização de alguns produtos com valor comercial, como é o caso da astaxantina, a saber na área farmacêutica, alimentar ou até mesmo cosmética. O cultivo da microalga foi feito em meio Bold’s Basal Medium (BBM), inicialmente em matrazes de 5 L e, quando se obteve uma cultura suficientemente densa, inocularam-se fotobiorreatores de 50 L. Conseguiu-se atingir uma concentração máxima de 0,76 g/L, no reator de 5 L, após cerca de 6 semanas de ensaio. Por sua vez, em fotobiorreatores de 50 L, a concentração máxima obtida foi de 0,4 g/L, após 4 semanas de ensaio. Nestas culturas foi possível obter-se uma percentagem lipídica de 7 %, apresentado concentração de pigmentos por litro de cultura na ordem dos 10 mg/L, 4 mg/L e 2 mg/L de clorofila a, clorofila b e carotenoides totais, respetivamente. Com esta percentagem lipídica recuperaram-se 400 mg de óleo, obtendo-se posteriormente 280 mg de biodiesel. Pela análise à amostra de biodiesel obtida foi possível obter o perfil lipídico desta microalga, quando cultivada em meio BBM, sendo 41% de ácido palmítico (C16:0), 9% de ácido esteárico (C18:0), 27% de ácido oleico (C18:1) e 23% de ácido linoleico (C18:2). Os resultados obtidos mostram que a Chlorella zofingiensis é uma microalga com interesse potencial para a produção de clorofila e carotenóides, mas não para o óleo para a produção de biodiesel.