Estudo da utilização de biodiesel em motores de grupos geradores de energia elétrica

Duração: 24 meses
Categoria de Pesquisa: Pesquisa Aplicada
Palavras-Chave: Biodiesel, Grupos geradores de energia elétrica, Motores de combustão interna.
Custo Total:R$ 758.716,28
Ano de Início: 2006
Pesquisa em Energia renovável

Objetivos

Objetivo principal:

- Determinação da composição ótima de diferentes ésteres de óleos vegetais utilizados como combustível para operação de grupos-geradores, do ponto de vista técnico e econômico.

Para consecução do objetivo principal serão buscados os seguintes objetivos secundários:

- instalar e operar um grupo gerador de energia elétrica, operando com diferentes misturas de diferentes ésteres de óleos vegetais;

- avaliar o desempenho mecânico do motor e o nível de emissões de gases poluentes, material particulado e ruído, na sua operação com diferentes misturas de diferentes ésteres de óleos vegetais;

- avaliar a confiabilidade e durabilidade do grupo gerador, nas diferentes situações de operação (temperaturas, cargas, tipos e concentrações de biodiesel), tomando especial cuidado na avaliação dos componentes do motor (sistema de injeção, filtros, etc.);

- avaliar o desempenho mecânico e elétrico do grupo gerador, operando com diferentes misturas de diferentes ésteres

de óleos vegetais.

Justificativa

Constata-se atualmente um grande interesse na expansão do uso de ésteres de óleos vegetais (biodiesel), em

substituição parcial ou total do óleo diesel comum de origem fóssil, no âmbito da geração de energia elétrica e, principalmente, no setor do transporte.

Pelo fato do maior interesse no uso do biodiesel se dar no setor do transporte, os estudos já realizados, referentes ao uso de biodiesel em motores de combustão interna, em quase todos os casos, são relativos à aplicação veicular. Em aplicações onde o biodiesel é usado como combustível em motores de grupos geradores, pouco se tem estudado. E exatamente em regiões onde o atendimento via rede de distribuição é precária, face ao isolamento e densidade populacional, é que o biodiesel se apresenta como alternativa viável ao óleo diesel. Comunidades isoladas do norte e Constata-se atualmente um grande interesse na expansão do uso de ésteres de óleos vegetais (biodiesel), em substituição parcial ou total do óleo diesel comum de origem fóssil, no âmbito da geração de energia elétrica e, principalmente, no setor do transporte. Pelo fato do maior interesse no uso do biodiesel se dar no setor do transporte, os estudos já realizados, referentes ao uso de biodiesel em motores de combustão interna, em quase todos os casos, são relativos à aplicação veicular. Em aplicações onde o biodiesel é usado como combustível em motores de grupos geradores, pouco se tem estudado.

Bibliografia

Morita. K.R. "O Processo da Combustão em Motores Operando com Biodiesel" . Workshop "Avaliação da Combustão de Biodiesel e de Misturas Biodiesel/Diesel em Grupos Geradores". Rede Interdisciplinar de Biocombustíveis para a Produção de Energia - BIOENERG, LACTEC, Curitiba PR Abril 2005.

NBR ISO 1585, "Veículos Rodoviários - Código de Ensaio de Motores - Potência Líquida Efetiva". Junho 1996.

NBR 14489, " Motor diesel - Análise e determinação dos gases e do material particulado emitidos por motores do ciclo diesel - Ciclo de 13 pontos ". Abril 2000.

SIMPÓSIO BIODIESEL LADETEL / PSA Peugeot-Citroën. Memorial JK - Brasília - DF- Brasil. Setembro 2004:

Apresentação dos resultados de ensaios de veículos usando biodiesel. Clay, J. Sampaio, P.T.B, Clement, C. 2000. Biodiversidade Amazônica: Exemplos e Estratégias de Utilização. INPA/SEBRAE. 409p.

Morita. K.R. "Ensaios de emissões de poluentes gasosos e ruído em veículos automotores" . Curso de Formação de Técnicos em Inspeção Veicular do SENAI, Curitiba PR, 2002.

Morita. K.R. "Introdução aos Motores de Combustão Interna" . Programa Brasileiro de Formação em Motores e Combustíveis, Curitiba PR, 2002.

"Eletrobrás anuncia Projeto de Bioeletricidade em Manaus". Comunicado da Assessoria de Comunicação Social do MME, de 26/06/2003, disponível em http://www.mme.gov.br/site/news. "Governo autoriza uso comercial do biodiesel". Comunicado da Assessoria de Comunicação Social do MME, de 06/12/2004, disponível em http://www.mme.gov.br/site/news. Biodiesel Emissions Database, USEPA, http://www.epa.gov/otaq/models/biodsl.htm Dezembro 2001.

Metodologia

O projeto se compõe de duas fases de trabalho: A primeira se refere ao estudo das diferentes opções existentes de ésteres de óleos vegetais - vegetal de origem e rota de transterificação - que podem ser utilizadas como combustível em motores ciclo diesel em grupos geradores.

Nesta fase serão avaliadas as opções, de acordo com critérios técnicos, econômicos e operacionais. Avaliando tecnicamente, é extremamente relevante a origem e portanto a característica do éster a ser utilizado no grupo gerador, pois elas determinam a quantidade e qualidade das emissões de poluentes, além de determinar o desempenho do motor e características de durabilidade e confiabilidade do motor e componentes. Os estudos existentes não são suficientemente abrangentes, e fazem menção a uma única fonte de éster (soja, palma, mamona), ou a poucas variantes de concentração éster-diesel. Esta avaliação técnica engloba a caracterização fisico-química das opções de misturas.

Nesta mesma fase, como primeira etapa de trabalho, se fará também o levantamento do estado da arte, através de extensa pesquisa bibliográfica. Na ocasião da caracterização das proporções de éster e diesel nas misturas a serem utilizadas nos ensaios, se definirá a metodologia de mistura e armazenamento do biodiesel, além da definição das proporções de mistura que melhor atendem a aplicação estudada.

Antes da tarefa de caracterização físico-química do éster de óleo vegetal a ser utilizado, se definirá a metodologia de avaliação fisico-química do biodiesel e de equipamentos e instalações a se utilizar nas análises.

Ainda nesta primeira fase, ocorrerá a etapa de trabalho de caracterização do tipo de motor a ser ensaiado, usando os ésteres como combustível. Nesta tarefa se definirá o melhor motor para a aplicação, avaliando-se alternativas do mercado e a viabilidade de execução de ensaios com o motor. Será estudado o fornecimento de agregados e a montagem do motor na bancada de ensaio. Esta tarefa também se apresenta como extremamente importante ao projeto, pois as opções em termos de diferentes tecnologias de motores existentes hoje, no mercado brasileiro, são várias, e cada tipo de tecnologia responde de forma diferente ao uso do biodiesel (desempenho, durabilidade e emissões). Este tipo de avaliação técnica não é comum na avaliação atual em estudos com biodiesel no Brasil.

Na segunda fase do projeto, serão executados os ensaios em bancada dinamométrica e com o grupo gerador. Haverá portanto, inicialmente, a definição e compra de grupo-gerador a ser utilizado em ensaios: Definição do melhor grupo-gerador para a aplicação, com um estudo de alternativas do mercado e o estudo de viabilidade de execução de ensaios com o grupo-gerador (qual carga a abastecer com o grupo gerador). O estudo incluirá a análise de fornecimento de agregados e equipamentos auxiliares.

Após estas tarefas, haverá a definição dos programas de ensaios em bancada de ensaio de motores: definição dos programas de ensaio em bancada de motor, dos parâmetros a considerar (desempenho, emissões de poluentes, durabilidade), e uma definição dos sistemas de medição a utilizar e grandezas a medir. O mesmo ocorrerá, depois, com os ensaios em grupo gerador: definição dos programas de ensaios em grupo-gerador, do tipo de carga e da potência da carga. Serão avaliados os parâmetros a considerar (desempenho, emissões de poluentes, durabilidade, parâmetros de qualidade de energia gerada), com definição dos sistemas de medição a utilizar e grandezas a medir. Durante a realização de ensaios em bancada de ensaio de motor, se executarão os programas de ensaio em bancada de motor conforme planejado, com o monitoramento e apontamento de eventos relevantes. O mesmo ocorrerá durante a realização de ensaios em grupo-gerador. Ao final desta fase, e portanto do projeto, haverá a avaliação dos resultados de ensaios, baseada nos resultados dos programas de ensaio. Todas as informações coletadas farão parte do relatório final do projeto.

Pesquisas Correlatas

O LACTEC, através de seu Laboratório de Emissões Veiculares - LEME, é considerado hoje uma referência nacional em termos de ensaios de motores utilizando combustíveis alternativos. Desde o início de seus trabalhos em 1999, vários programas de ensaios de motores foram executados, utilizando-se GNV para ciclo Otto e para ciclo Diesel, misturas álcool-diesel, gasool com concentrações variáveis (projetos de engenharia bi-combustível ou flex-fuel para montadoras), etanol puro, e biodiesel de origem e concentrações diversas. Como exemplo, importantes instituições e empresas do Brasil e exterior, que são clientes do LACTEC demandando serviços com biodiesel: USP Ladetel, Peugeot-Citroën da França, Tecpar, Robert Bosch. Outras empresas, como a Maquigeral, Petrobrás e Woodward, participam de projetos com combustíveis alternativos, que tem a parte experimental executada em bancos de prova do LACTEC / LEME.

fonte: Formulário de Projeto ANEEL

Turbinas hidráulicas hidrocinéticas para o aproveitamento do potencial remanescente em usinas hidrelétricas

Duração: 36 meses
Categoria de Pesquisa: Pesquisa Aplicada
Palavras-Chave:   Turbinas hidrocinéticas, Energia hidráulica, Energias renováveis, Turbinas hidráulicas
Custo Total:R$ 10.186.590,00
Ano de Início: 2010
Custo Total:R$ 10.186.590,00

OBJETIVOS

O objetivo geral do presente projeto é de desenvolver tecnologia inovadora no Brasil associada ao aproveitamento da energia hidrocinética de correntes, operacionalizando este desenvolvimento pela instalação de uma unidade demonstrativa para aproveitamento da energia hídrica residual vertida e turbinada pela UHE-Tucuruí.

Para atingir este objetivo os seguintes objetivos específicos são estabelecidos:

1.Desenvolvimento de projeto de turbina hidrocinética com potência entre 500kW-1 MW, com rotores de 3-4 pás com eixo horizontal e conjunto gerador-transmissão embarcado no bulbo. A tecnologia envolverá o uso de gerador operando em rotação variável e com a hidrodinâmica projetada com efeito de amplificação do coeficiente de potência com difusor traseiro;

2. Construção e ensaio de uma unidade piloto de 1 MW a ser instalada no Rio Tocantins na saída do reservatório de jusante da UHE-Tucuruí (3°48'46.66"S - 49°38'28.31"W), contemplando a execução de obra civil simplificada (pilares de sustentação) e infraestrutura de despacho da carga gerada. Será observada um distanciamento seguro necessário do eixo da linha de transmissão na a travessia do rio Tocantins;

3. Estabelecimento de estratégia e projeto básico para a instalação para 5MW, a partir da experiencia com unidade piloto instalada de 1 MW, contemplando o projeto para posicionamento das demais unidades complementares. Os estudos devem garantir a navegabilidade do rio e a não modificação das condições de nível de jusante;

4. Desenvolvimento de estudo do uso sustentável da unidade total de 5MW, prevendo a rede de distribuição de energia para atendimento à comunidade local.

JUSTIFICATIVA
A busca de soluções alternativas para a conversão de energia é um desafio atual que suscita o desenvolvimento tecnológico de máquinas que proporcionem baixos impactos ambientais e que aproveitem potenciais pouco convencionais e renováveis. No contexto da conversão de energia através da hidroeletricidade um atual interesse repousa no aproveitamento de potenciais de baixa queda, ou ainda no aproveitamento da energia disponível em correntes aquáticas (em rios ou oceanos). Este tipo de potencial é conhecido como energia hidrocinética, o qual é associado à energia contida no movimento de massa de água em forma de energia cinética. Este tipo de tecnologia vem sendo objeto de atenção na última década [1]-[3] e vem proporcionando o desenvolvimento de turbinas que aproveitam correntes de rios [6]-[7], [16]-[17] ou oceânicas [14]-[15], [31]. Experiências de sucesso vem sendo reportadas em diferentes países inclusive no Brasil (e.g. [18], [6]). Máquinas com bom desempenho na conversão vem sendo propostas e podem proporcionar uma alternativa tanto para a geração de eletricidade conectada à rede ou para o atendimento de comunidades remotas (envolvendo sistemas mais simples e isolados). Este tipo de tecnologia de turbinas tem íntima semelhança com a abordagem de conversão da energia eólica (que também converte a energia cinética das correntes, no caso de ar). Nota-se no entanto que algumas particularidades podem ser mencionadas para o caso da água: Em primeiro que as velocidades de correntes de água (em rios ou oceanos) em geral são bem menores que as do vento atmosférico próximo à superfície. No entanto, observa-se que a massa específica da água é bem superior a do ar, o que faz com que o potencial de energia disponíveis em correntes de água proporcionem um potencial que pode ser economicamente aproveitado em situações de velocidades de fluxo relativamente baixas (1-4 m/s). Em particular no Brasil a temática do desenvolvimento de turbinas hidráulicas tipo hidrocinéticas vem sendo fortemente incentivadas por empresas do setor e a ELETRONORTE S/A vem sendo pioneira no suporte ao desenvolvimento desta tecnologia. De fato, este tema de pesquisa tecnológica em sendo objeto de alguns desenvolvimentos nacionais em universidades, em particular na UnB, onde máquinas e estudos vem sendo desenvolvidos ao longo dos últimos 18 anos.
Com o incentivo de projetos oriundo de várias fontes de financiamento (CNPq, FINEP, FAP-DF, etc,), a UnB desenvolveu e dispõe na atualidade de uma máquina confiável e customizada, que vem sendo instalada em diferentes comunidades isoladas no Cerrado e na Amazônia. Os projetos da UnB caracterizam-se pela combinação de desenvolvimento tecnológico com a avaliação de inserção sustentável de tal tecnologia para comunidades isoladas ([7]-[13]).
A partir de 2004, a ELETRONORTE S/A, em parceria com a UnB, iniciou uma atividade de P&D visando o desenvolvimento de uma máquina hidrocinética para comunidades isoladas na Amazônia. Tal turbina foi então desenvolvida considerando os seguintes aspectos:
a) Aperfeiçoamento do projeto hidrodinâmico com uso intensivo de simulação computacional e ensaio em modelo reduzido;
b) Concepção de uma tecnologia compacta, de baixo custo, que permitisse seu transporte para regiões remotas da Amazônia brasileira e com facil instalação e manutenção
c) Proporcionar uma turbina que utiliza materiais compatíveis com as condições amazônicas, em particular com o uso intensivo de plásticos e layout funcional;
d) Avaliação da sustentabilidade do uso da tecnologia, comparando-a com outras alternativas.
Os projetos P&D ELETRONORTE-UnB proporcionaram uma concepção inovadora de máquina (com patente requisitada) que vem respondendo com sucesso a tais premissas Um novo modelo de uma pequena máquina de 1 KW foi desenvolvido e foi testado no contexto de projeto P&D sendo denominado como Turbina hidrocinética Geração 3, o que fechou um ciclo de desenvolvimento em parceria entre as duas instituições.
O presente projeto apresenta agora um novo desafio. Ele deve então proporcionar respostas à demanda induzida pelo edital P&D 01/2009 cujo o objetivo é a conversão de energia remanescente do aproveitamento hidrelétrico da UHE-Tucuruí.
O edital deixa claro que o aproveitamento das águas vertidas e turbinadas deve ser obtido sem que nenhuma variação de nível de água ajusante ocorra. Isto naturalmente leva a proposta tecnológica ao encontro do desenvolvimento de uma turbina hidrocinética adaptada às condições específicas ao escoamento de jusante, visto que qualquer aproveitamento de queda (e consequente necessidade de represamento adicional do curso d'água) pode induzir condições conflitantes com o funcionamento da usina principal ou com a navegabilidade do Tocantins.
Neste contexto, proporcionar um aproveitamento da energia residual através de máquinas hidrocinéticas, que atenda no mínimo uma demanda de instalação de 5 MW, apresenta dificuldades importantes para serem abordadas em um projeto de P&D e devem ser foco de seu desenvolvimento:
a) As características estimadas das condições de corrente à jusante da barragem proporcionam velocidades da ordem de 2-3,5 m/s o que viabiliza fortemente a instalação de máquinas hidrocinéticas, tendo em vista relatos apresentados em literatura recente para experiências com máquinas em correntes oceânicas ou de maré (e.g. [19]);
d) Para atender a geração de 5MW, dentro das condições de profundidade do canal a jusante da usina, são necessárias máquinas entre 5-10 m de diâmetro, o que proporcionaria potencias para cada unidade entre 500-1000 kW, ou seja, seriam necessárias entre 5-10 máquinas para atender a demanda do edital. Trata-se de uma demanda de desenvolvimento tecnológico similar às várias iniciativas de desenvolvimentos ora em curso em diversos países (e.g. [18]);
c) As dificuldades tecnológicas de maquinas tipo hidrocinéticas de grande porte fazem com que elas ainda não sejam disponíveis como tecnologia comercializada. Todas as experiências mundiais estão associadas com pesquisas envolvendo empresas e universidades, o que enquadra a atual iniciativa da ELETRONORTE S/A como uma real demanda de P&D&I, com repercussão internacional em seus resultados;
d) Mesmo considerando a experiência acumulada dos projetos em parceria UnB-ELETRONORTE, e algumas outras executadas por outras iniciativas no Brasil, a presente demanda apresenta deafios que somente uma rede de pesquisa aplicada, envolvendo universidades e empresas, pode atender de maneira efetiva. Portanto o projeto se justifica desde sua proposta como um projeto de inovação, colocando em evidência a iniciativa da ELETRONORTE S/A em provocar as universidades e institutos de pesquisa nacionais a se engajarem de maneira cooperativa para o desenvolvimento de uma tecnologia, cuja a maturidade da engenharia nacional esta pronta para responder. Ressalta-se ainda que este tipo de projeto não pode deixar de envolver o conhecimento de empresas do setor, o que certamente proporcionará o foco da manufatura e operacionalidade do desenvolvimento do processo de inovação.