Projeto de geração de energia térmica a biomassa

1. ESCOLA POLITÉCNICA DE MINAS GERAIS – POLIMIG
ESCOLA TÉCNICA VITAL BRASIL
GERAÇÃO DE ENERGIA TÉRMICA A BIOMASSA
Alessandro Eros, Allan Douglas, Otto Rodrigues, Karla Diniz, Ulissis Severino,
Jefferson Gonçalves, Luciano Pio, Marcus Vinicius, Robert Leles, Flávio
Henrique, Victor Clarck, Gleidson de Oliveira, Hudson Campos , Leandro
Costa, Caique Viana
BELO HORIZONTE - MG
2013

2. NOMES DOS INTEGRANTES DO GRUPO
Alessandro Eros
Alan Douglas
Otto Rodrigues
Karla Diniz
Ulissis Severino
Jefferson Gonçalves
Luciano Pio Marcus
Vinicius Robert
Leles Flávio
Henrique Victor
Victor Clarck
Gleidson de Oliveira
Hudson Campos
Leandro Costa
Caique Viana
TÍTULO DO TRABALHO: Geração de Energia a Biogás
Trabalho de Eletrotécnica apresentado à
Coordenação da Feira, como parte das exigências do edital de
participação da POLIVITAL 2013.
Aprovado em de de 2013.
Orintador: Prof. Cássio William
Ass.:
BELO HORIZONTE - MG

3. Dedicamos esse trabalho a todos que
nos deram apoio e confiaram que a
realização deste foi extremamente
possível em especial o Professor
Cássio William que confiou em nossa
proposta e nos orientou na realização
do mesmo.

4. IV
"A imaginação é mais importante que o
conhecimento. Conhecimento auxilia
por fora, mas só o amor socorre por
dentro. Conhecimento vem, mas a
sabedoria tarda."
Albert Einstein

5. V
INDICE DE FIGURAS
Figura 1 - Esquema de Ligação Biogás..................................................................................... 9
Figura 2 - Estocagem de lenha.................................................................................................. 10
Figura 3 - Lenha sendo consumida pelo fogo ......................................................................... 11
Figura 4 - Avaliação de arvores para o corte........................................................................... 12
Figura 5 - Ilustração de funcionamento de uma termoelétrica.............................................. 14
Figura 6 - Roda d'agua em funcionamento.............................................................................. 15
Figura 7 - Representação básica de um gerador.................................................................... 16
Figura 8 - Imã com limalha de ferro em suas extremidades ................................................. 16
Figura 9 - Orientação do imã...................................................................................................... 17
Figura 10 - Demonstração do fenômeno.................................................................................. 17
Figura 11 - Demonstração linha de indução (força) teórico. ................................................. 17
Figura 12 - Demonstração linhas de indução(força) com limalha de ferro ......................... 17
Figura 13 - Demonstração lei de Faraday................................................................................ 18
Figura 14 - Gerador normalmente utilizado ............................................................................. 19
Figura 15 - Enrolamentos principais de um gerador............................................................... 19
Figura 16 - Visão explodida do projeto prático....................................................................... 19
Figura 17 - Visão geral do projeto pratico ................................................................................ 20

6. VI
INDICE DE TABELAS
Tabela 1 - Passo a passo de funcionamento de uma termoelétrica................................... 14

7. VII
Sumário
INDICE DE FIGURAS............................................................................................1
INDICE DE TABELAS...........................................................................................VI
Resumo: ................................................................................................................8
Palavras - chave: ...................................................................................................8
Introdução:.............................................................................................................8
Resumo Teórico:....................................................................................................9
Digestão Anaeróbia....................................................................................................................... 9
Energia Térmica a Biomassa........................................................................................................ 10
Usina Termoelétrica.............................................................................................13
Geração de Energia..................................................................................................................... 15
Etapas da geração de energia.............................................................................15
Convertendo a energia mecânica cinética de rotação em energia elétrica ............................... 16
Princípios de um gerador........................................................................................................ 16
Magnetismo ............................................................................................................................ 16
Indução Magnética.................................................................................................................. 17
Lei de Faraday ......................................................................................................................... 17
O gerador ................................................................................................................................ 18
Visão Geral da Apresentação ..............................................................................19
Conclusão:...........................................................................................................20
Referências..........................................................................................................21

8. 8
Resumo:
Gerar energia elétrica a partir do processo de termoelétrica
utilizando o biogás, este proveniente do processo da digestão anaeróbica mais
conhecida como biodigestor.
Espera-se, portanto que este trabalho desperte na população a
necessidade de desenvolver novas tecnologias sustentáveis e acessíveis para
aproveitamento dos resíduos orgânicos que conhecemos como biomassa1
e a
otimização dos processos produtivos já existentes.
Palavras - chave: Aproveitando resíduos para um futuro sustentável
Introdução:
A partir da crise do petróleo da década de 70, a economia das
nações dependentes desse energético vem sofrendo profundas modificações
na busca da substituição daquele produto por fontes de energia renováveis
No Brasil esforços foram desenvolvidos no sentido de se substituir o
petróleo e, dentre as fontes substitutivas desse energético foram pesquisados o
álcool, xisto, metanol, etc.
Uma das opções para a produção de energia, a baixo custo que vem
apresentando resultados favoráveis e já difundido em vários países é o biogás.
Apesar de ser conhecido a muito tempo, só mais recentemente os processos
de obtenção de biogás vêm se desenvolvendo sem objetivos práticos em maior
amplitude, objetivando sua utilização como energético. Dessa forma a partir de
1976 os estudos relativos ao seu aproveitamento foram intensificados. A ideia
da produção de biogás nas propriedades rurais, indiferentemente de suas
dimensões, em última análise, se associa ao atingimento de um quádruplo
objetivo, ou seja:
a) Proporcionar maior conforto ao rurícola permitindo-lhe dispor de
um combustível prático e barato que tanto poderá ser usado para fins de
calefação e iluminação, como ainda para acionar pequenos motores
estacionários de combustão interna.
1
Qualquer matéria orgânica que possa ser transformada em energia mecânica, térmica ou elétrica é
classificada como biomassa

9. 9
b) Contribuir para a economia do consumo de petróleo, pois o biogás
é um combustível proveniente de fontes alternativas.
c) Produzir biofertilizante que é um resíduo rico em húmus e
nutrientes, utilizado na fertilização do solo, para aumentar a produtividade dos
cultivos face ao seu baixo custo de obtenção.
d) Contribuir para a preservação do meio ambiente pela produção de
biogás, o que consiste na reciclagem de dejetos e resíduos orgânicos
poluentes.
Diante deste contexto é importante destacar o Manual de Bioenergia
desenvolvido por cinco países da Europa, entre eles Portugal, Alemanha, Itália,
Holanda e Reino Unido define que a bioenergia é a energia obtida a partir da
biomassa – constitui uma alternativa possível, embora parcial, à aquisição de
combustível fósseis e, como tal, poderá estabelecer-se como variável
determinante na solução de muitos dos problemas energético-ambientais,
econômicos e até sociais.
Resumo Teórico:
Digestão Anaeróbia
A digestão anaeróbia, assim como a pirólise (carbonização), ocorre
na ausência de ar, porém nesse caso o processo consiste na decomposição do
material pela ação de microrganismos (bactérias acidogênicas e
metanogênicas). Trata-se de um processo simples, que ocorre naturalmente
com quase todos os compostos orgânicos.
Figura 1 - Esquema de Ligação Biogás

10. 10
O tratamento e o aproveitamento energético de dejetos orgânicos
(esterco animal, resíduos industriais etc.) podem ser feitos pela digestão
anaeróbia em biodigestores, onde o processo é favorecido pela umidade e
aquecimento. O aquecimento é provocado pela própria ação das bactérias,
mas, em regiões ou épocas de frio, pode ser necessário calor adicional, visto
que a temperatura deve ser de pelo menos 35°C.
No Brasil, apesar do enorme potencial, ainda são poucas as usinas
termelétricas movidas a biogás em operação.
No final de 2009, a Aneel regulamentou a geração a partir do biogás
e sua comercialização. Pela Resolução Normativa nº 390/2009, qualquer
distribuidora de energia elétrica pode fazer chamadas públicas para comprar
eletricidade produzida por biodigestores. Seguindo as exigências da Aneel em
relação à qualidade da energia, os produtores poderão enviar a eletricidade
para a linha de distribuição, em vez de somente consumir.
Energia Térmica a Biomassa
As principais rotas tecnológicas são analisadas no estudo sobre
biomassa constante do Plano Nacional de Energia 2030 e resumidas a seguir:
Figura 2 - Estocagem de lenha
Ciclo a vapor com turbinas de contrapressão: É empregado de forma
integrada a processos produtivos por meio da cogeração. Nele, a biomassa é
queimada diretamente em caldeiras e a energia térmica resultante é utilizada
na produção do vapor. Este vapor pode acionar as turbinas usadas no trabalho
mecânico requerido nas unidades de produção e as turbinas para geração de
energia elétrica. Além disso, o vapor que seria liberado na atmosfera após a
realização desses processos pode ser encaminhado para o atendimento das

11. 11
necessidades térmicas do processo de produção. Este processo está maduro
do ponto de vista comercial e é o mais disseminado atualmente. O Brasil conta,
inclusive, com diversos produtores nacionais da maior parte dos equipamentos
necessários.
Ciclo a vapor com turbinas de condensação e extração: Consiste na
condensação total ou parcial do vapor ao final da realização do trabalho na
turbina para atendimento às atividades mecânicas ou térmicas do processo
produtivo. Esta energia a ser condensada, quando inserida em um processo de
cogeração, é retirada em um ponto intermediário da expansão do vapor que irá
movimentar as turbinas. A diferença fundamental desta rota em relação à
contrapressão é a existência de um condensador na exaustão da turbina e de
níveis determinados para aquecimento da água que alimentará a caldeira. A
primeira característica proporciona maior flexibilidade da geração termelétrica
(que deixa de ser condicionada ao consumo de vapor de processo). A segunda
proporciona aumento na eficiência global da geração de energia. Este sistema,
portanto, permite a obtenção de maior volume de energia elétrica. No entanto,
sua instalação exige investimentos muito superiores aos necessários para
implantação do sistema simples de condensação.
Figura 3 - Lenha sendo consumida pelo fogo
Ciclo combinado integrado a gaseificação da biomassa: A
gaseificação é a conversão de qualquer combustível líquido ou sólido, como a
biomassa, em gás energético por meio da oxidação parcial em temperatura
elevada. Esta conversão, realizada em gaseificadores, produz um gás
combustível que pode ser utilizado em usinas térmicas movidas a gás para a
produção de energia elétrica. Assim, a tecnologia de gaseificação aplicada em
maior escala transforma a biomassa em importante fonte primária de centrais
de geração termelétrica de elevada potência, inclusive aquelas de ciclo

12. 12
combinado, cuja produção é baseada na utilização do vapor e do gás, o que
aumenta o rendimento das máquinas. A tecnologia de gaseificação de
combustíveis é conhecida desde o século XIX e foi bastante utilizada até os
anos 30, quando os derivados de petróleo passaram a ser utilizados em grande
escala e adquiridos por preços competitivos. Ela ressurgiu nos anos 80 –
quando começou a ficar evidente a necessidade de contenção no consumo de
petróleo – mas, no caso da biomassa, ainda não é uma tecnologia competitiva
do ponto de vista comercial. Segundo o Plano Nacional de Energia 2030, a
maior dificuldade para a sua aplicação não é o processo básico de
gaseificação, mas a obtenção de um equipamento capaz de produzir um gás
de qualidade, com confiabilidade e segurança, adaptado às condições
particulares do combustível e da operação.
Figura 4 - Avaliação de arvores para o corte.
A biomassa sólida tem como fonte os produtos e resíduos da
agricultura (incluindo substâncias vegetais e animais), os resíduos das florestas
e a fração biodegradável dos resíduos industriais e urbanos.
A biomassa líquida existe em uma série de bicombustíveis líquidos
com potencial de utilização, todos com origem nas chamadas “culturas
energéticas”. São exemplos o biodiesel, obtido a partir de óleos de colza ou
girassol; o etanol, produzido com a fermentação de hidratos de carbono
(açúcar, amido, celulose); e o metanol, gerado pela síntese do gás natural.
A biomassa gasosa é encontrada nos efluentes agropecuários
provenientes da agroindústria e do meio urbano. É achada também nos aterros
de RSU (resíduos sólidos urbanos). Estes resíduos são resultado da
degradação biológica anaeróbia da matéria orgânica, e são constituídos por
uma mistura de metano e gás carbônico. Esses materiais são submetidos à
combustão para a geração de energia.

13. 13
O biogás é obtido a partir da biomassa contida em dejetos (urbanos,
industriais e agropecuários) e em esgotos, que passa naturalmente do estado
sólido para o gasoso por meio da ação de microorganismos que decompõem a
matéria orgânica em um ambiente anaeróbico.
Neste caso, o biogás é lançado à atmosfera e passa a contribuir
para o aquecimento global, uma vez que é composto por metano (CH4),
dióxido de carbono (CO2), nitrogênio (N2), hidrogênio (H2), oxigênio (O2) e gás
sulfídrico (H2S). A utilização do lixo para produção de energia permite o uso
deste gás, além da redução do volume dos dejetos em estado sólido. A
geração de energia por esta fonte permite a redução dos gases causadores do
efeito estufa e contribui para o combate à poluição do solo e dos lençóis
freáticos.
Existem três rotas tecnológicas para a utilização do lixo como fonte
energética. Uma delas, a mais simples e disseminada, é a combustão direta
dos resíduos sólidos. Outra é a gaseificação por meio da termoquímica
(produção de calor por meio de reações químicas).
Finalmente, a terceira (e mais utilizada para a produção do biogás) é
a reprodução do processo natural em que a ação de microorganismos em um
ambiente anaeróbico produz a decomposição da matéria orgânica e, em
consequência, a emissão do biogás.
Existem várias rotas tecnológicas para obtenção da energia elétrica
a partir da biomassa. Todas preveem a conversão da matéria-prima em um
produto intermediário que será utilizado em uma máquina motriz. Essa
máquina produzirá a energia mecânica que acionará o gerador de energia
elétrica.
Usina Termoelétrica
A usina termoelétrica é uma instalação industrial que produz
energia a partir do calor gerado pela queima de combustíveis fósseis (como
carvão mineral, óleo, gás, e como proposto neste trabalho pelo biogás,
entre outros) ou por outras fontes de calor (como a fissão nuclear, em usinas
nucleares).

14. 14
Primeiramente aquece-se uma caldeira com água, essa água será
transformada em vapor d’água em alta pressão, cuja a força irá movimentar
as pás de uma turbina que por sua vez movimentará um
gerador.
Figura 5 - Ilustração de funcionamento de uma termoelétrica
Chamam-se Termoelétricas por que são constituídas de 2 partes,
uma térmica onde se produz muito vapor a altíssima pressão e outra elétrica
onde se produz a eletricidade.
1 A Energia Elétrica é produzida por um Gerador.
2 O Gerador possui um eixo que é movido por uma Turbina.
3
A Turbina é movida por um Jato de Vapor de grande pressão. Depois do
uso, o vapor é jogado fora na atmosfera.
4 O Vapor é produzido por uma Caldeira.
5 A Caldeira é Aquecida com a queima do biogás.
Tabela 1 - Passo a passo de funcionamento de uma termoelétrica

15. 15
Figura 6 - Roda d'agua em funcionamento.
As vantagens é que podem ser construídas próximas a centros
urbanos, diminuindo as linhas de transmissões e desperdiçando menos
energia. Também são usinas que produzem uma quantidade constante de
energia elétrica durante o ano inteiro, ao contrário das hidrelétricas, que tem a
produção dependente do nível dos rios. No Brasil, as térmicas complementam
a matriz energética de hidrelétricas, sendo ligadas apenas quando há
necessidade (como em períodos de estiagem).
Geração de Energia
A geração de energia elétrica é a transformação de qualquer tipo de
energia em energia elétrica. Esse processo ocorre em duas etapas. Na 1a
etapa uma máquina primária transforma qualquer tipo de energia, normalmente
hidráulica ou térmica, em energia mecânica cinética de rotação. Em uma 2a
etapa um gerador elétrico acoplado à máquina primária transforma a energia
mecânica cinética de rotação em energia elétrica.
Etapas da geração de energia
Produção de energia mecânica cinética de rotação
Temos várias formas de produzir energia mecânica como: Hidráulica, Carvão,
Nuclear, Solar e Biogás, dentre várias outras formas de obter-se energia
mecânica cinética de rotação. Um dos primeiros geradores de energia mecânica
foi o hidráulico, pois aproveita-se a força da agua cuja a mesma atua pelo efeito
do peso e da velocidade da agua fazendo girar uma roda conectada a um eixo
conhecido como roda d’agua, a partir desse princípio temos hoje grades
hidroelétricas que se utilizam dessa forma de energia mecânica.

16. 16
Figura 8 - Imã com limalha de ferro em suas extremidades
Convertendo a energia mecânica em energia elétrica
Princípios de um gerador
O gerador funciona convertendo a energia mecânica contida na rotação do eixo
do mesmo que faz com que a intensidade de um campo magnético produzido por
um imã que atravessa um conjunto de enrolamentos que varie.
Figura 7 - Representação básica de um gerador
Magnetismo
Imãs (do grego, corpos que se amam) - São constituídos de
magnetita(Fe3O4) que lhes proporcionam as seguintes propriedades:
I. Quando colocados na presença de pequenas limalhas(fragmentos) de
ferro, provocam atração nas mesmas. As limalhas se concentram de forma mais
acentuada nas bordas de um imã em forma de barra. Estas bordas são
denominadas “ pólos do imã ”.

17. 17
II. Quando suspensos pelo centro de gravidade, orientam-se
aproximadamente na direção Norte-Sul geográfica.
Indução Magnética
Quando uma pequena bússola é colocada no interior de um campo
magnético, a sua tendência é alinhar-se tangencialmente à LI, com o pólo
NORTE apontando no sentido do campo.
Figura 10 - Demonstração do fenômeno
Convenciona-se que as linhas de indução saem do pólo Norte para o
pólo Sul. Na realidade elas são curvas fechadas que no Interior do imã se
orientam do Sul para o Norte.
Lei de Faraday
N
S
Norte
geográfico
Sul
geográfico
Figura 9 - Orientação do imã
Figura 11 - Demonstração linhas de
indução(força) com limalha de ferro
Figura 12 - Demonstração linha
de indução (força) teórico.

18. 18
Lei de Faraday
“Em todo condutor enquanto sujeito a uma variação de fluxo magnético
é estabelecida uma força eletromotriz (tensão) induzida”.
Processos básicos para a geração de uma FEM (força eletromotriz) ,
por meio da indução eletromagnética:
• pelo movimento de um condutor dentro do campo magnético;
• movendo-se o campo, permanecendo fixo o condutor;
• variando o fluxo do campo magnético, mediante a variação da
corrente que produz o campo magnético.
O gerador
A energia mecânica (muitas vezes proveniente de uma turbina
hidráulica, à gás ou a vapor) é utilizada para fazer girar o rotor, através desse
movimento começa ocorrer o fenômeno de indução eletro magnética, pois
estabelece um campo que denominamos de campo principal e surgirá tensão
induzida. A partir desse ponto, começa todo processo e obtém-se tensão
induzida no circuito do rotor, que por sua vez, passa a percorrer corrente elétrica
através desse circuito gerando um fluxo magnético no mesmo. Através da Lei da
indução de Faraday induz uma tensão nos terminais dos enrolamentos principais
que ao serem conectados a cargas levam a circulação de correntes
elétricas pelos enrolamentos e pela carga.
Figura 13 - Demonstração lei de Faraday

19. 19
Visão Geral da Apresentação
Trata-se de uma pequena caldeira feita com tubo de aço de Ø6” com
ambos os lados fechados, no qual será soldado um tubinho de cobre por onde
o vapor será direcionado para a turbina. Através de outro orifício pode-se
abastecer a caldeira com água. Após colocado água na caldeira, metade de
sua capacidade total.
tubo de 6” de diâmetro, tubo de cobre,
turbina, pás, 2 suportes
Figura 16 - Visão explodida do projeto prático.
Figura 15 - Enrolamentos principais de
um gerador
Figura 14 - Gerador normalmente utilizado

20. 20
Essa caldeira, parcialmente cheia de água, é colocada horizontalmente
sobre uma pequena 'fornalha'.
Em frente à saída do tubinho, também horizontal, coloca-se a
turbina, semelhante a uma roda d'água. Quando a água ferve o vapor
produzido é expulso sob pressão, num jato horizontal, o qual movimenta a
turbina.
Uma correia passando por uma polia fixada nessa roda e por outra
pequena polia presa ao eixo de um gerador. Essa adaptação do gerador
elétrico à turbina; um verdadeiro modelo de uma usina termoelétrica:
Conclusão:
A Energia Elétrica é uma das formas de energia mais úteis para a
humanidade. Ela fornece luz, calor, força para o funcionamento de máquinas,
comodidade para as pessoas, entre outros benefícios. Com a geração de
energia elétrica através do biogás observamos que esse processo é útil a
natureza, pois se trata de energia limpa onde todo o material é aproveitado
retribuindo para a sustentabilidade do mundo.
No Instituto Fraunhofer na Alemanha já existem projetos para
utilização do lixo orgânicos das residências para produção energia elétrica e
térmica através do biogás proveniente da decomposição do lixo. Cada
residência poderá gerar sua própria energia para consumo. Ajudando na
redução do volume dos dejetos em estado sólido em aterros sanitários.
É um campo de pesquisa com grande potencial e ampla aplicação
no campo da eletrotécnica.
Figura 17 - Visão geral do projeto pratico

21. 21
Referências
Site http://cenbio.iee.usp.br/saibamais/tecnologias.htm Centro Nacional de
Referência em Biomassa acessado em 01/10/2013 às 09h20min
Site elementar energias renováveis http://www.elementarenergia.com.br/areas-
de-atuacao/energia-termica-a-biomassa.html acessado em 01/09/2013 às
9h35min
Site da câmara de comercialização de energia elétrica
http://www.ccee.org.br/portal/faces/pages_publico/onde-
atuamos/fontes?_afrLoop=262755208283000#%40%3F_afrLoop%3D2627552
08283000%26_adf.ctrl-state%3Dlj592s7k6_17 acessado em 01/10/2013 às
09h40min
Site http://www.infoescola.com/fisica/usina-termoeletrica/ acessado em
01/10/2013 às 9h50min
Site http://www.feiradeciencias.com.br/sala22/Motor08.asp acessado em
01/10/2013 às 10h00min
Site http://eletrotecpolimig2013.forumeiros.com/t1-maquinas-eletricas-professor-romulo
acessado em 23/10/2013 ás 01h35min
Sitehttp://1.bp.blogspot.com/_RYQULtAnGWQ/TDdiFkhpNzI/AAAAAAAAACM/tgCPC_w
dmQY/s1600/dsc01983.jpg acessado em 23/10/2013 ás 00h45min
Site http://www.feg.unesp.br/energiasrenovaveis/rodadagua.htm acessado em
23/10/2013 em 23/10/2013 ás 00h25min