Análise energética e exergética de um processo de valorização de biogás

A gestão dos recursos energéticos é um desafio que a sociedade moderna enfrenta. Se a solução a longo prazo não está ainda equacionada, a curto e médio prazos poderá passar por fontes alternativas de energia e por um aumento da eficiência na sua utilização. A quantificação da qualidade da energia, isto é, do seu potencial para realizar trabalho, à luz da Segunda Lei da Termodinâmica, resultou na introdução da propriedade exergia. A análise exergética é aceite como uma ferramenta útil de design, avaliação, optimização e melhoria dos sistemas de energia, permitindo complementar a análise energética. Nesta tese, um sistema de cogeração para valorização energética do biogás produzido num aterro sanitário é avaliado com base na Primeira e Segunda Leis da Termodinâmica. A cogeração é uma tecnologia que permite uma maior eficiência energética, pelo seu potencial de poupança de energia primária e, consequentemente, de redução das emissões de dióxido de carbono. A utilização do biogás como combustível tem um efeito benéfico duplo de produção de energia e de protecção ambiental. Os objectivos específicos deste estudo foram: compreender o processo de conversão do biogás em energia eléctrica; realizar análises de Primeira e Segunda Leis da Termodinâmica; identificar os locais e as magnitudes das irreversibilidades, bem como avaliar o desempenho do processo global e das suas unidades. Verificou-se que o processo está longe de ser termodinamicamente ideal, apresentando uma eficiência exergética de 36,2%. Os componentes mais ineficientes, avaliados pelo grau de perfeição termodinâmico e pelo quociente de destruição de exergia, são o motor (MCI), seguido de uma das unidades do radiador (PC3a). De acordo com a eficiência racional, as unidades mais ineficientes são a segunda unidade do permutador de calor 1 (PC1b) e o MCI. O potencial aumento da eficiência no motor é limitado, devido ao processo de combustão ser de natureza altamente irreversível. A principal melhoria proposta é o aproveitamento energético dos gases de escape. Um aproveitamento energético do calor retirado pelo circuito de refrigeração de baixa temperatura parece não se justificar. Este estudo pode, no futuro, ser complementado com uma análise económica, utilizando as técnicas da exergoeconomia.Modern societies face multiple energy-related problems and challenges. In this regard, exploitation of renewable energy sources and increases in the efficiency of energy utilization provide mitigating solutions. The quantification of the quality of different energy forms, that is, their “work potential”, has resulted in the definition of the property exergy. Exergy analysis is a useful method for the design, evaluation, and improvement of energy systems, that uses the conservation of mass and conservation of energy principles, together with the Second Law of Thermodynamics. In this dissertation, a cogeneration system run with the biogas produced in a landfill is studied by First and Second-law analyses. Combined heat and power systems are a technology for power generation with high energetic efficiency, that leads to savings in primary energy sources, and to lower environmental emissions. The harnessing of landfill gas (biogas) as a fuel produces useful energy, while protects the environment from greenhouse emissions. The objectives of this study were the following: to understand the conversion of the chemical energy in the biogas into electrical energy; to perform a First and a Second Law analyses of the cogeneration plant; to identify locations where irreversibilities occur and to evaluate their magnitudes; and to assess the energy and exergy efficiencies of the system and of its constituent units. The results show that the overall-plant exergy efficiency is 36,5%, which is far from the thermodynamic ideal limit. The internal combustion engine (MCI) and one of the radiators (PC3a), are the most inefficient units, as judged by the parameters degree of thermodynamic perfection and exergy destruction quotient. Based on the rational efficiency parameter, the most inefficient devices are a subunit of a heat exchanger (PC1b) and the internal combustion chambers (MCI). This unit has a limited potential for improvement, due to the fact that combustion is a highly irreversible process. The main potential for improvement in the plant is the recovery of the energy in the exhaust gases. The recovery of the heat removed by the low-temperature refrigeration circuit seems not justified. Future work can comprehend an economic analysis using the tools of exergoeconomics