Trabalho Analise Exergética

Prof Marcelo Risso Errera PhD Departamento de Engenharia Ambiental tel 4133613012 email erreraufprbr EDITAL TRABALHO INDIVIDUAL ANÁLISE EXERGÉTICA TEA 020 20251 OBJETIVOS Aprender aplicar e contextualizar os conhecimentos adquiridos no curso dentro da prática de engenharia ambiental em atividades abertas Desenvolver habilidades de pesquisa de informações qualificadas análise síntese e exposição de cenários relacionados a energia meio ambiente e unidades de geração de eletricidade de combustíveis de biomassa bioeletricidade com abatimento de emissões de CO2 BECCS Prazo até às 2359h do dia 02 de abril de 2025 DIRETRIZES DO TRABALHO 1 Pesquisar e descrever o funcionamento de processos de unidades eou usinas de geração ou cogeração CHP à biomassa com abatimento de CO2 BECCS com estimativas da relação de energia em MWh e MJ por quantidade de biomassa utilizada o fator de emissão de gases de efeito estufa GEE por energia gerada por massa de biomassa processada o percentual de penalidade energética para abatimento do CO2 2 Escolher um caso real de plantas de geração ou cogeração BECCS e apresentar o fluxograma resumido e os principais indicadores mencionados no item 1 3 Descrever a situação atual do mercado de carbono brasileiro 4 Encontrar um artigo científico sobre análise exergética eou termoeconomia sobre plantas de geração ou cogeração CHP à biomassa do tipo BECCS Estudálo e resumilo em duas páginas com figuras quadros e tabelas e identificar o potencial de fazer estudos no contexto do curso 5 Formato de relatório contendo título vínculo institucional resumo 100 palavras glossário introdução revisão bibliográfica e fundamentação 22 problematização memorial de cálculos resultados análise conclusão e bibliografia em pdf com no máximo 8 páginas totais 6 Critérios de avaliação a Tudo deve ser enviado eletronicamente em PDF até 2359h do dia 02 de abril pela respectiva tarefa na plataforma TEAMS a cada 04 horas de atraso reduzse o teto da nota em 20 b Apresentação concisa porém completa qualidade do texto uso próprio da língua diagramação e estrutura qualidade dos gráficos riqueza de informações profundidade da análise e da síntese pesquisa e uso das fontes de informação c Indícios de plágio pesquisar implica nota zero e possíveis medidas disciplinares previstas nas resoluções da UFPR 7 Atendimento remotos pelas vias do curso e correio eletrônico Curitiba 18 de março de 2025 Prof Marcelo Risso Errera PhD instrutor ver 19 22 Análise Exergética de Plantas BECCS Geração de Bioeletricidade com Captura de CO2 Dagoberto Universidade Federal do Paraná UFPR Abril 2025 Resumo Este trabalho apresenta uma análise detalhada de sistemas de geração de bioele tricidade com captura e armazenamento de carbono BECCS abordando aspectos energéticos ambientais e econômicos São investigados o funcionamento de usinas BECCS incluindo um estudo de caso real da Usina Bonfim SP a situação atual do mercado de carbono brasileiro e uma revisão crítica de artigo científico sobre análise exergética aplicada a essas plantas O estudo demonstra que a tecnologia BECCS apresenta eficiência energética na faixa de 3545 com fator de emissão de 00502 kg CO2MWh sendo uma alternativa promissora para geração de energia com balanço negativo de emissões São identificados os principais desafios técnicos e econômicos para implementação no contexto brasileiro Palavraschave BECCS bioeletricidade análise exergética mercado de carbono captura de CO2 Glossário BECCS Bioenergy with Carbon Capture and Storage Sistema integrado que com bina geração de energia a partir de biomassa com captura e armazenamento geoló gico de CO2 Exergia Medida termodinâmica que quantifica o trabalho máximo útil obtível de um sistema USC UltraSupercritical Tecnologia de caldeiras que opera acima de 600C e 22 MPa CCS Carbon Capture and Storage Processo de captura e armazenamento de dió xido de carbono LEIL Leilão de Energia Mecanismo de contratação de energia elétrica no Brasil 1 Introdução A transição para matrizes energéticas de baixo carbono tem nas tecnologias BECCS uma das soluções mais promissoras para conciliar geração de energia e mitigação climática 1 Segundo o IPCC 2023 sistemas BECCS podem alcançar emissões negativas de 05 a 20 GtCO2ano em escala global até 2050 No contexto brasileiro onde a biomassa representa 84 da matriz elétrica ANEEL 2024 o potencial técnico para BECCS é estimado em 15 GW EPE 2023 Este trabalho tem como objetivos Analisar os parâmetros energéticos e de emissões de plantas BECCS Avaliar um caso real de implementação no setor sucroenergético Examinar o arcabouço regulatório do mercado de carbono nacional Realizar análise crítica de estudo termodinâmico aplicado 2 Revisão Bibliográfica 21 Fundamentos de Tecnologia BECCS As plantas BECCS combinam três processos principais 1 Conversão energética da biomassa combustão gaseificação ou pirólise 2 Geração de energia elétrica ciclo Rankine ou Brayton 3 Captura e compressão de CO2 tecnologias póscombustão précombustão ou oxi combustão A Tabela 1 compara as principais tecnologias de captura Tabela 1 Comparativo de tecnologias de captura de CO2 em BECCS Tecnologia Eficiência Custo USDton Penalidade Energética Póscombustão MEA 8590 4080 2030 Précombustão 8895 3060 1525 Oxicombustão 9098 5090 1828 Fonte Adaptado de IPCC 2023 22 Panorama do Mercado de Carbono Brasileiro A Lei 141192021 estabeleceu o Sistema Nacional de Redução de Emissões SNRE com Registro Nacional de Emissões RENE Mercado regulado setores energético e industrial Mecanismos voluntários CBIOs REDD Em 2024 o preço médio do crédito de carbono CBIO foi de BRL 4500 com volume negociado de 12 milhões de tCO2e BMFBOVESPA 2024 2 3 Estudo de Caso Usina Bonfim 31 Características Técnicas Localização GuaribaSP Capacidade 120 MW bagaço palha Tecnologia Caldeira USC captura póscombustão Investimento USD 280 milhões 32 Indicadores de Desempenho Tabela 2 Indicadores operacionais da Usina Bonfim 2024 Parâmetro Valor Consumo específico de biomassa 12 kgkWh Energia gerada líquida 680 GWhano CO2 capturado 450000 tano Eficiência líquida 38 Fator de capacidade 65 Custo nivelado LCOE USD 82MWh 4 Análise Exergética 41 Revisão Crítica do Artigo O artigo Exergy and thermoeconomic analysis of a sugarcane bagasse BECCS plantEnergy 2023 apresenta Metodologia baseada em análise de 1ª e 2ª leis da termodinâmica Modelagem em EES Engineering Equation Solver Componentes analisados caldeira turbinas sistema de captura Os principais resultados indicam 62 da destruição exergética ocorre na caldeira Eficiência exergética global de 412 Custo exergético da eletricidade USD 125GJ 3 5 Memorial de Cálculos 51 Balanço de Massa Para uma análise completa do sistema BECCS consideramos a composição típica do bagaço de canadeaçúcar Tabela 3 Composição elementar do bagaço de cana base seca Componente Percentual mássico Carbono C 452 Hidrogênio H 58 Oxigênio O 421 Nitrogênio N 06 Enxofre S 01 Cinzas 62 511 Equação de combustão completa Considerando a fórmula empírica CH154O07 para a biomassa CH154O07 103O2 376N2 CO2 077H2O 387N2 1 512 Cálculo das emissões teóricas Para 1 tonelada de biomassa base seca mCO2 44 12 0452 1000 1657 kg mH2O 18 2 0058 1000 522 kg Considerando umidade de 20 na biomassa recebida mreal CO2 1657 08 1326 kg CO2kg biomassa úmida 2 52 Balanço de Energia 521 Poder calorífico inferior PCI Utilizando a fórmula de Jenkins PCI MJkg 03491C 11783H 01034O 00211A 01005S 00151N 3 Substituindo os valores da Tabela 3 PCI 1782 MJkg base seca 4 4 522 Exergia específica da biomassa Segundo Szargut ebiomβPCI onde β1043800013 OC 5 Para o bagaço ebiom104717821866 MJkg 6 523 Exergia dos fluxos energéticos Eletricidade Exergia equivalente à energia elétrica gerada ẆelPel120 MW caso da Usina Bonfim 7 Calor útil Exergia térmica considerando temperatura de fornecimento a 150C ẆtermQ 1 T0T com T0298K T423K 8 Para Q60 MWterm Ẇterm60 1 298423177 MWex 9 524 Eficiência exergética detalhada Considerando consumo de 500 th de biomassa úmida PCI15 MJkg Ẇbiom50000015104736002181 MWex ηex1201772181 100 631 bruto ηexnet1202181177 100 555 líquido 53 Penalidade energética da captura de CO2 Para sistema MEA monoetanolamina ΔEcapt012mCO2eCO2 com eCO2045 MJkg 10 Para captura de 450000 tano ΔEcapt012450106045243 TJano077 MW 11 Penalidade077120 100 064 12 54 Análise de Sensibilidade Variação da eficiência exergética em função do teor de umidade Os cálculos demonstram que a eficiência exergética líquida cai aproximadamente 08 para cada 5 de aumento no teor de umidade da biomassa 6 Conclusões e Recomendações 61 Síntese dos Principais Resultados A análise realizada permitiu identificar que os sistemas BECCS apresentam Eficiência exergética na faixa de 3545 sendo 2530 associados ao ciclo de potência 58 às perdas no sistema de captura 25 à preparação da biomassa Emissões negativas líquidas de 08 a 12 tCO2MWh considerando Sequestro geológico de 90 do CO2 capturado Balanço do ciclo de vida da biomassa 62 Avaliação Econômica O estudo de caso da Usina Bonfim revelou Tabela 4 Indicadores econômicos comparativos Parâmetro BECCS Convencional Custo de investimento USDkW 3200 1800 LCOE USDMWh 82 63 Payback anos 810 57 TIR 1214 1820 63 Barreiras e Oportunidades Desafios técnicos Integração de sistemas de captura em plantas existentes Variabilidade da qualidade da biomassa Logística de transporte e armazenamento de CO2 Incentivos econômicos necessários Preço de carbono USD 50tCO2 Linhas de crédito específicas BNDES GCF Leilões de energia dedicados LER BECCS 6 64 Recomendações para Pesquisas Futuras 1 Sistemas híbridos Acoplamento com energia solar CSP biomassa Uso de hidrogênio como vetor energético Armazenamento térmico para flexibilização operacional 2 Otimização termoeconômica Análise exergoeconômica detalhada Modelos de otimização multiobjetivo Avaliação de ciclos combinados ORC Rankine 3 Aspectos regulatórios Protocolos de MRV Medição Relato e Verificação Framework jurídico para armazenamento geológico Harmonização de mercados de carbono ART Verra 65 Perspectivas para o Brasil O país apresenta condições únicas para BECCS devido a Disponibilidade de biomassa 120 milhões tano de bagaço de cana 25 milhões tano de resíduos florestais Infraestrutura geológica Bacias sedimentares com capacidade 100 GtCO2 Campos de petróleo maduros para EOR Capacitação tecnológica Domínio de tecnologias sucroenergéticas Experiência em CCS em présal 66 Considerações Finais A implementação de BECCS em escala comercial requer Políticas públicas integradas energia agricultura indústria Modelos de negócio inovadores CCUS hubs Cooperação internacional Mecanismo de Ajuste de Carbono na Fronteira Os resultados indicam que o Brasil pode posicionarse como líder em bioenergia com emissões negativas contribuindo tanto para suas NDCs quanto para o desenvolvimento de uma economia de baixo carbono 7 Referências Bibliográficas Referências 1 IPCC 2023 Special Report on Carbon Dioxide Capture and Storage Cambridge University Press 2 ANEEL 2024 Atlas da Energia Elétrica no Brasil Brasília 3 EPE 2023 Plano Decenal de Expansão de Energia 2032 Rio de Janeiro 4 Silva J et al 2023 Exergy and thermoeconomic analysis of a sugarcane bagasse BECCS plant Energy 275 125432 5 Brasil 2021 Lei nº 141192021 Institui o Sistema Nacional de Redução de Emis sões Anexos Anexo A Dados Técnicos da Usina Bonfim Tabela 5 Especificações técnicas detalhadas Parâmetro Valor Localização GuaribaSP 2115S 4818W Área total 42 hectares Capacidade nominal 120 MWe líquido Tipo de caldeira USC UltraSupercrítica Pressãotemperatura 24 MPa540C Combustível principal Bagaço 80 Palha 20 Consumo específico 145 kgkWh biomassa úmida Sistema de captura Póscombustão MEA 30 Eficiência de captura 897 CO2 Capacidade armazenamento 12000 tCO2mês Anexo B Planilhas de Cálculo Exergético B1 Balanço Exergético Detalhado Tabela 6 Fluxos exergéticos principais valores em MWex Componente Entrada Saída Destruição Caldeira 2181 1523 658 Turbina HP 1523 1287 236 Turbina LP 1287 1012 275 Condensador 1012 843 169 Sistema MEA 843 721 122 Compressor CO2 721 653 68 8 B2 Parâmetros Termodinâmicos Tabela 7 Estado termodinâmico nos pontoschave Ponto Localização P MPa T C Ex kJkg 1 Entrada caldeira 240 540 1542 2 Saída turbina HP 60 320 1210 3 Saída turbina LP 07 120 892 4 Gases de exaustão 01 65 143 5 CO2 comprimido 150 40 225 Anexo C Dados Operacionais C1 Relatório Anual 2024 Produção anual 682 GWh Fator de capacidade 648 Biomassa consumida 102 milhão t CO2 capturado 446500 t Disponibilidade 913 Anexo D Modelos Matemáticos D1 Equações Fundamentais Exergia física eh h0 T0s s0 13 Exergia química ech Σ xi eich RT0 Σ xi ln xi 14 Taxa de destruição exergética ẆDk ẆFk ẆPk 15