UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA “JÚLIO DE MESQUITA FILHO” FACULDADE DE ENGENHARIA CAMPUS DE BAURU ANÁLISE DE EMERGIA PARA UM CICLO ORGÂNICO DE RANKINE (ORC) UTILIZANDO DIFERENTES FLUÍDOS DE TRABALHO ANELIZE TERRONI TEIXEIRA BAURU - SP 2021 UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA “JÚLIO DE MESQUITA FILHO” UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA “JÚLIO DE MESQUITA FILHO” FACULDADE DE ENGENHARIA CAMPUS DE BAURU ANÁLISE DE EMERGIA PARA UM CICLO ORGÂNICO DE RANKINE (ORC) UTILIZANDO DIFERENTES FLUÍDOS DE TRABALHO Anelize Terroni Teixeira Orientador: Prof. Dr. Santiago Del Rio Oliveira Dissertação apresentada a Faculdade de Engenharia da UNESP - Campus de Bauru, como parte dos requisitos para a obtenção do título de Mestre em Engenharia Mecânica. BAURU - SP 2021 UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA “JÚLIO DE MESQUITA FILHO” Terroni Teixeira, Anelize. Análise de emergia para um ciclo orgânico de Rankine (ORC) utilizando diferentes fluídos de trabalho / Anelize Terroni Teixeira, 2021. 178 f. Orientador: Santiago Del Rio Oliveira Dissertação (Mestrado)– Universidade Estadual Paulista. Faculdade de Engenharia, Bauru, 2021 1. Emergia. 2. Ciclo orgânico de Rankine (ORC). 3. Fluídos Orgânicos. 4. Life Cycle. 5. R134a. 6. NH3 I. Universidade Estadual Paulista. Faculdade de Engenharia. II. Título. I "Um pouco de ciência nos afasta de Deus. Muito, nos aproxima". Louis Pasteur II AGRADECIMENTOS Primeiramente a Deus, pela ajuda para superar cada uma das dificuldades que surgiram ao longo dos anos dedicados a este trabalho e principalmente pela oportunidade de ter realizado este projeto, o qual representa um sonho realizado. A universidade UNESP – Campus Bauru, por toda infraestrutura fornecida para que este projeto fosse finalizado. Agradeço também ao Professor Dr. Santiago Del Rio Oliveira, por todo conhecimento, ajuda, dedicação e tempo cedidos para me ajudar até a conclusão desta dissertação. Pessoa fundamental em cada etapa do projeto, no direcionamento para solução dos problemas e por ter me exigido sabendo do meu potencial e da minha capacidade de entrega. Aos meus pais, que sempre acreditaram em mim e me apoiaram em todos os momentos, me deram forças nos períodos mais difíceis me auxiliando a seguir em frente, sofreram comigo e também comemoram comigo, sem vocês eu não teria chegado até aqui. Aos amigos que durante este processo me passaram calma e paciência, me apoiaram e me ajudaram a levar as responsabilidades de forma mais leve, uns mais de perto outros mais de longe, mas que sempre se apresentaram com palavras de incentivo, me ajudando a superar cada desafio que a pós-graduação me pôs e por sempre terem acreditado em mim. A CAPES pelo apoio financeiro durante o desenvolvimento e conclusão desta pesquisa através da bolsa 88882.432820/2019-01. III RESUMO: A análise de emergia vem sendo utilizada nos últimos anos para medir os impactos ambientais e econômicos associados à produção de algum tipo de energia ou produto. Uma análise tradicional de emergia é divida em três fases. Primeiro, a contabilização em termos de unidade e transformada de todos os materiais utilizados na manufatura do fluído de trabalho e dos equipamentos do ciclo; Segundo, os insumos necessários para a operação do ciclo termodinâmico, no caso desta pesquisa, calor residual; Terceiro, os insumos necessários para transportar todos os equipamentos do ciclo para suas respectivas destinações, ao final do ciclo de vida da usina. Neste trabalho, resultados da análise de emergia foram comparados para diferentes fluídos orgânicos de trabalho aplicados a diferentes ciclos orgânicos de Rankine (ORC) a fim de ranquear cada um dos sistemas em termos de sustentabilidade a curto, médio e longo período de acordo com o EIS (índice emergético de sustentabilidade – “Emergy Index of Sustainability). Para tal, o software EES (engineering equation solver) foi utilizado para obter os parâmetros termodinâmicos para cada fluído de trabalho em seu respectivo ciclo ORC. Todos os insumos utilizados nas três fases da análise emergética são contabilizados para obter o EIS . Um novo método de cálculo para obter das massas dos componentes do ciclo ORC foi apresentado a fim de considerar as irreversibilidades do sistema. R134a e NH3 foram classificados como sustentável por um médio período em todos os ciclos analisados. Esses resultados mostraram que a análise emergética pode ser utilizada como um método adicional para a seleção de ciclos ORC. PALAVRAS-CHAVE: Emergia, ciclo orgânico de Rankine, fluídos orgânicos, life cycle, R134a, NH3. IV ABSTRACT: Emergy analysis has been used in recent years to measure environmental and economic impacts associated a production of some form of energy or product. A traditional emergy analysis is divided in three phases. First, all materials required to manufacture the system components are measured in terms of unit and transformity; Second, the necessary inputs to operate the thermodynamic cycle are considered, and third, the inputs necessary to transport all components of system. In this paper, results of an emergy analysis in two different organic fluids, considering each of them with and without irreversibility, were compared to determine the performance for each ORC and to rank it in a scale of short, medium and long-term sustainability, according to EIS (Emergy Index of Sustainability). As such, EES (engineering equation solver) was used to get the thermodynamics parameters for each ORC working fluid; all inputs used along the three phases of emergy analyses had been added to obtain the EIS. A new calculation method to obtain the masses of the components of the ORC cycle was presented in order to consider the system irreversibility. R134a and NH3 were classified as sustainable on medium term for all cycles. These results show that emergy analysis can be used as an additional method for selecting an ORC. KEY-WORDS: Emergy, Organic Rankine Cycle (ORC), organic working fluids, life cycle, R134a, NH3. V SUMÁRIO LISTA DE FIGURAS VIII LISTA DE TABELAS X LISTA DE SÍMBOLOS XIV CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO 1 1.1 – MUDANÇAS NO CLIMA AO LONGO DO TEMPO 1 1.2 – O CICLO ORGÂNICO DE RANKINE 2 1.3 – TIPOS DE ANÁLISES DE CICLOS TERMODINÂMICOS 4 1.4 – ANÁLISES DE CICLO DE VIDA E EMERGIA 6 1.5 – OBJETIVO 11 CAPÍTULO 2 – REVISÃO DE LITERATURA 13 CAPÍTULO 3 – MODELAGEM FÍSICA 26 3.1 – ANÁLISE TERMODINÂMICA 26 3.1.1 – Ciclo ORC reversível 26 3.1.1.1 – Evaporador 27 3.1.1.2 – Turbina 28 3.1.1.3 – Condensador 28 3.1.1.4 – Bomba 29 3.1.2 – Ciclo ORC irreversível 30 3.1.2.1 – Turbina 31 3.1.2.2 – Bomba 32 3.1.3 – Ciclo ORC reversível regenerativo com aquecedor de alimentação fechado 33 3.1.3.1 – Evaporador 34 3.1.3.2 – Turbina de primeiro estágio 35 3.1.3.3 – Turbina de segundo estágio 35 3.1.3.4 – Condensador 36 3.1.3.5 – Bomba 37 3.1.3.6 – Aquecedor de alimentação fechado 37 3.1.4 – Ciclo ORC irreversível regenerativo com aquecedor de alimentação fechado 39 3.1.4.1 – Turbina de primeiro estágio 40 3.1.4.2 – Turbina de segundo estágio 41 VI 3.1.4.3 – Bomba 42 3.2 – MASSA DOS COMPONENTES DO CICLO 43 3.2.1 – Evaporador, condensador e aquecedor de alimentação fechado 43 3.2.2 – Turbina e bomba 44 3.2.3 – Massa do fluido de trabalho 44 3.3 – ANÁLISE EMERGÉTICA 44 3.3.1 – Janela ambiental/Análise de ciclo de vida 45 3.3.2 – Contabilização da emergia 46 CAPÍTULO 4 – METODOLOGIA 48 4.1 – FLUXOGRAMA 48 4.2 – VALIDAÇÃO DO MÉTODO 49 4.2.1 – Análise termodinâmica 50 4.2.2 – Análise Emergética 54 4.2.2.1 – Fase de Construção 55 4.2.2.2 – Fase de Operação 57 4.2.2.3 – Fase de Desativação 59 4.2.2.4 – Produto Final 60 4.2.3 – Comparação de resultados 64 CAPÍTULO 5 – RESULTADOS E DISCUSSÃO 65 5.1 – PROPRIEDADES TERMODINÂMICAS 65 5.1.1 – Ciclo ORC Reversível 65 5.1.2 – Ciclo ORC Irreversível 67 5.1.3 – Ciclo ORC reversível regenerativo com aquecedor de alimentação fechado 69 5.1.4– Ciclo ORC irreversível regenerativo com aquecedor de alimentação fechado 71 5.2 – MASSA DOS COMPONENTES DO CICLO 74 5.2.1 – Ciclo ORC reversível 74 5.2.2 – Ciclo ORC irreversível 75 5.2.3 – Ciclo ORC reversível regenerativo com aquecedor de alimentação fechado 76 5.2.4 – Ciclo ORC irreversível regenerativo com aquecedor de alimentação fechado 77 VII 5.3 – DADOS EMERGÉTICOS 78 5.3.1 – Ciclo ORC reversível 79 5.3.1.1 – Fase de construção 79 5.3.1.2 – Fase de operação 83 5.3.1.3 – Fase de desativação 84 5.3.1.4 – Produto Final 85 5.3.1.5 – Índices Emergéticos derivados 87 5.3.2 – Ciclo ORC irreversível 90 5.3.2.1 – Fase de construção 90 5.3.2.2 – Fase de operação 93 5.3.2.3 – Fase de desativação 94 5.3.2.4 – Produto Final 95 5.3.2.5 – Índices Emergéticos derivados 96 5.3.3 – Ciclo ORC reversível regenerativo com aquecedor de alimentação fechado 97 5.3.3.1 – Fase de construção 97 5.3.3.2 – Fase de operação 100 5.3.3.3 – Fase de desativação 101 5.3.3.4 – Produto Final 102 5.3.3.5 – Índices Emergéticos derivados 103 5.3.4 – Ciclo ORC irreversível regenerativo com aquecedor de alimentação fechado 105 5.3.4.1 – Fase de construção 105 5.3.4.2 – Fase de operação 108 5.3.4.3 – Fase de desativação 109 5.3.4.4 – Produto Final 110 5.3.4.5 – Índices Emergéticos derivados 111 5.4 – CONSIDERAÇÕES PRELIMINARES 113 5.5 – NOVO MÉTODO 115 5.5.1 – Consideração 1 116 5.5.1.1 – Ciclo ORC irreversível 116 5.5.1.2 – Fase de construção 118 5.5.1.3 – Fase de operação 121 VIII 5.5.1.4 – Fase de desativação 122 5.5.1.5 – Produto Final 123 5.5.1.6 – Índices Emergéticos derivados 124 5.5.2 – Consideração 2 126 5.5.2.1 – Ciclo ORC irreversível 126 5.5.2.2 – Fase de construção 129 5.5.2.3 – Fase de operação 131 5.5.2.4 – Fase de desativação 132 5.5.2.5 – Produto Final 133 5.5.2.6 – Índices Emergéticos derivados 134 5.5.3 – Consideração 2 e 3 136 5.5.3.1 – Ciclo ORC irreversível 136 5.5.3.2 – Fase de construção 139 5.5.3.3 – Fase de operação 142 5.5.3.4 – Fase de desativação 143 5.5.3.5 – Produto Final 144 5.5.3.6 – Índices Emergéticos derivados 145 5.5.4 – Expansão do novo método para o Ciclo ORC irreversível regenerativo com aquecedor de alimentação fechado 147 5.5.4.1 – Ciclo ORC irreversível regenerativo com aquecedor de alimentação fechado 147 5.5.4.2 – Fase de construção 149 5.5.4.3 – Fase de operação 152 5.5.4.4 – Fase de desativação 153 5.5.4.5 – Produto Final 154 5.5.4.6 – Índices Emergéticos derivados 155 5.6 – COMPARAÇÕES ENTRE OS CICLOS 157 5.6.1 – Proporção entre fluido de trabalho e componentes do ciclo 158 5.6.2 – Proporção entre índices emergéticos básicos 160 5.7 – COMPARAÇÃO COM OUTROS SISTEMAS 161 CAPÍTULO 6 – CONCLUSÕES E EXTENSÕES 163 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 166 ANEXO A 170 IX ANEXO B 171 ANEXO C 172 ANEXO D 173 ANEXO E 174 ANEXO F 175 ANEXO G 176 ANEXO H 177 ANEXO I 178 X LISTA DE FIGURAS Figura 1.1 – (a) Modelo de um ciclo de Rankine básico. (b) Diagrama T-s para um ciclo de Rankine básico. Fonte: Shapiro e Moran (2018). 2 Figura 1.2 – Exemplo de uma janela ambiental para uma planta de geração de energia elétrica com fonte térmica. Fonte: Brown, Raugei e Ulgiati (2012). 8 Figura 3.1 – (a) Modelo de um ciclo ORC reversível. (b) Diagrama T-s para um ciclo ORC reversível. 26 Figura 3.2 – Diagrama T-s para um ciclo ORC irreversível. 30 Figura 3.3 – (a) Modelo de um ciclo ORC reversível regenerativo com aquecedor de alimentação fechado. (b) Diagrama T-s para um ciclo ORC reversível regenerativo com aquecedor de alimentação fechado. 34 Figura 3.4 – Diagrama T-s para um ciclo ORC irreversível regenerativo com aquecedor de alimentação fechado. 39 Figura 3.5 – Janela ambiental para um ciclo ORC genérico. 45 Figura 4.1 – Fluxograma contendo o procedimento para obtenção dos resultados emergéticos para um ciclo termodinâmico. 48 XI LISTA DE TABELAS Tabela 3.1 – Índices emergéticos básicos. 46 Tabela 3.2 – Índices emergéticos derivados. 47 Tabela 4.1 – Parâmetros utilizados de acordo com Zhang et al. (2018). 49 Tabela 4.2 – Propriedades termodinâmicas obtidas para o ciclo ORC reversível com fluido R134a em comparação à Zhang et al. (2018). 51 Tabela 4.3 – Área, massa e taxa de energia obtidas para o ciclo ORC reversível com fluido R134a em comparação à de Zhang et al. (2018). 53 Tabela 4.4 – Taxa de energia obtida para o ciclo ORC reversível com fluido R134a em comparação à de Zhang et al. (2018). 53 Tabela 4.5 – Diferença percentual entre área, massa e taxa de energia obtida para o ciclo ORC reversível com fluido R134a em comparação à Zhang et al. (2018) devido a mudança de entalpia no ponto (2) da Fig. (3.1.a). 54 Tabela 4.6 – Índices emergéticos do aço para o ciclo ORC reversível referente a fase de construção para validação do método de Zhang et al. (2018). 56 Tabela 4.7 – Índices emergéticos do R134a para o ciclo ORC reversível referente a fase de construção para validação do método de Zhang et al. (2018). 57 Tabela 4.8 – Índices emergéticos para o ciclo ORC reversível referente a fase de operação para validação do método de Zhang et al. (2018). 58 Tabela 4.9 – Índices emergéticos para o ciclo ORC reversível referente a fase de desativação para validação do método de Zhang et al. (2018). 59 Tabela 4.10 – Índices emergéticos para o ciclo ORC reversível referente ao produto do ciclo para validação do método de Zhang et al. (2018). 61 Tabela 4.11 – Índices emergéticos para o ciclo ORC reversível para validação do método de Zhang et al. (2018). 63 Tabela 4.12 – Somatório dos índices emergéticos básicos em termos de emergia [sej] para o ciclo ORC reversível para validação do método de Zhang et al. (2018). 61 Tabela 4.13 – Índices emergéticos derivados para o ciclo ORC reversível com fluido R134a em comparação à Zhang et al. (2018). 62 Tabela 4.14 – Diferença percentual entre os índices emergéticos derivados para o ciclo ORC reversível com fluido R134a em comparação à Zhang et al. (2018). 64 Tabela 5.1 – Propriedades termodinâmicas para o ciclo ORC reversível com fluido R134a. 66 XII Tabela 5.2 – Propriedades termodinâmicas para o ciclo ORC reversível com fluido NH3. 67 Tabela 5.3 – Propriedades termodinâmicas para o ciclo ORC irreversível com fluido R134a. 68 Tabela 5.4 – Propriedades termodinâmicas para o ciclo ORC irreversível com fluido NH3. 68 Tabela 5.5 – Propriedades termodinâmicas para o ciclo ORC reversível regenerativo com aquecedor de alimentação fechado utilizando o fluido R134a. 70 Tabela 5.6 – Propriedades termodinâmicas para o ciclo ORC reversível regenerativo com aquecedor de alimentação fechado utilizando o fluido NH3. 71 Tabela 5.7 – Propriedades termodinâmicas para o ciclo ORC irreversível regenerativo com aquecedor de alimentação fechado utilizando o fluido R134a. 73 Tabela 5.8 – Propriedades termodinâmicas para o ciclo ORC irreversível regenerativo com aquecedor de alimentação fechado utilizando o fluido NH3. 73 Tabela 5.9 – Área, massa e taxa de energia para o ciclo ORC reversível com fluido R134a. 74 Tabela 5.10 – Área, massa e taxa de energia para o ciclo ORC reversível com fluido NH3. 75 Tabela 5.11 – Área, massa e taxa de energia para o ciclo ORC irreversível com fluido R134a. 75 Tabela 5.12 – Área, massa e taxa de energia para o ciclo ORC irreversível com fluido NH3. 76 Tabela 5.13 – Área, massa e taxa de energia para o ciclo ORC reversível regenerativo com aquecedor de alimentação fechado utilizando o fluido R134a. 76 Tabela 5.14 – Área, massa e taxa de energia para o ciclo ORC reversível regenerativo com aquecedor de alimentação fechado utilizando o fluido NH3. 77 Tabela 5.15 – Área, massa e taxa de energia para o ciclo ORC irreversível regenerativo com aquecedor de alimentação fechado utilizando o fluido R134a. 78 Tabela 5.16 – Área, massa e taxa de energia para o ciclo ORC irreversível regenerativo com aquecedor de alimentação fechado utilizando o fluido NH3. 78 Tabela 5.17 – Índices emergéticos do aço para o ciclo ORC reversível com fluído R134a referente a fase de construção. 80 XIII Tabela 5.18 – Índices emergéticos do aço para o ciclo ORC reversível com fluído NH3 referente a fase de construção. 81 Tabela 5.19 – Índices emergéticos do R134a para o ciclo ORC reversível referente a fase de construção. 82 Tabela 5.20 – Índices emergéticos do NH3 para o ciclo ORC reversível referente a fase de construção. 82 Tabela 5.21 – Índices emergéticos para o ciclo ORC reversível com fluído R134a referente a fase de operação. 84 Tabela 5.22 – Índices emergéticos para o ciclo ORC reversível com fluído NH3 referente a fase de operação. 84 Tabela 5.23– Índices emergéticos para o ciclo ORC reversível com fluído R134a referente a fase de operação. 85 Tabela 5.24 – Índices emergéticos para o ciclo ORC reversível com fluído NH3 referente a fase de operação. 85 Tabela 5.25 – Índices emergéticos para o ciclo ORC reversível com fluído R134a referente ao produto do ciclo. 87 Tabela 5.26 – Índices emergéticos para o ciclo ORC reversível com fluído NH3 referente ao produto do ciclo. 87 Tabela 5.27 – Somatório dos índices emergéticos básicos em termos de emergia [sej] para o ciclo ORC reversível com o fluido R134a. 88 Tabela 5.28 – Somatório dos índices emergéticos básicos em termos de emergia [sej] para o ciclo ORC reversível com o fluido NH3. 88 Tabela 5.29 – Índices emergéticos derivados para o ciclo ORC reversível com fluido R134a. 89 Tabela 5.30 – Índices emergéticos derivados para o ciclo ORC reversível com fluido NH3. 90 Tabela 5.31 – Índices emergéticos do aço para o ciclo ORC irreversível com fluído R134a referente a fase de construção. 91 Tabela 5.32 – Índices emergéticos do aço para o ciclo ORC irreversível com fluído NH3 referente a fase de construção. 92 Tabela 5.33 – Índices emergéticos do R134a para o ciclo ORC irreversível referente a fase de construção. 93 XIV Tabela 5.34 – Índices emergéticos do NH3 para o ciclo ORC irreversível referente a fase de construção. 93 Tabela 5.35 – Índices emergéticos para o ciclo ORC irreversível com fluído R134a referente a fase de operação. 94 Tabela 5.36 – Índices emergéticos para o ciclo ORC irreversível com fluído NH3 referente a fase de operação. 94 Tabela 5.37 – Índices emergéticos para o ciclo ORC irreversível com fluído R134a referente a fase de operação. 95 Tabela 5.38 – Índices emergéticos para o ciclo ORC irreversível com fluído NH3 referente a fase de operação. 95 Tabela 5.39 – Índices emergéticos para o ciclo ORC irreversível com fluído R134a referente ao produto do ciclo. 95 Tabela 5.40 – Índices emergéticos para o ciclo ORC irreversível com fluído NH3 referente ao produto do ciclo. 96 Tabela 5.41 – Somatório dos índices emergéticos básicos em termos de emergia [sej] para o ciclo ORC irreversível com o fluido R134a. 96 Tabela 5.42 – Somatório dos índices emergéticos básicos em termos de emergia [sej] para o ciclo ORC irreversível com o fluido NH3. 96 Tabela 5.43 – Índices emergéticos derivados para o ciclo ORC irreversível com fluido R134a. 97 Tabela 5.44 – Índices emergéticos derivados para o ciclo ORC irreversível com fluido NH3. 97 Tabela 5.45 – Índices emergéticos do aço para o ciclo ORC reversível regenerativo com aquecedor de alimentação fechado utilizando o fluído R134a referente a fase de construção. 98 Tabela 5.46 – Índices emergéticos do aço para o ciclo ORC reversível regenerativo com aquecedor de alimentação fechado utilizando o fluído NH3 referente a fase de construção. 99 Tabela 5.47 – Índices emergéticos do R134a para o ciclo ORC reversível regenerativo com aquecedor de alimentação fechado referente a fase de construção. 100 XV Tabela 5.48 – Índices emergéticos do NH3 para o ciclo ORC reversível regenerativo com aquecedor de alimentação fechado referente a fase de construção. 100 Tabela 5.49 – Índices emergéticos para o ciclo ORC reversível regenerativo com aquecedor de alimentação fechado utilizando o fluído R134a referente a fase de operação. 101 Tabela 5.50 – Índices emergéticos para o ciclo ORC reversível regenerativo com aquecedor de alimentação fechado utilizando o fluído NH3 referente a fase de operação. 101 Tabela 5.51 – Índices emergéticos para o ciclo ORC reversível regenerativo com aquecedor de alimentação fechado utilizando o fluído R134a referente a fase de operação. 102 Tabela 5.52 – Índices emergéticos para o ciclo ORC reversível regenerativo com aquecedor de alimentação fechado utilizando o fluído NH3 referente a fase de operação. 102 Tabela 5.53 – Índices emergéticos para o ciclo ORC reversível regenerativo com aquecedor de alimentação fechado utilizando o fluído R134a referente ao produto do ciclo. 103 Tabela 5.54 – Índices emergéticos para o ciclo ORC reversível regenerativo com aquecedor de alimentação fechado utilizando o fluído NH3 referente ao produto do ciclo. 103 Tabela 5.55 – Somatório dos índices emergéticos básicos em termos de emergia [sej] para o ciclo ORC reversível regenerativo com aquecedor de alimentação fechado utilizando o fluido R134a. 103 Tabela 5.56 – Somatório dos índices emergéticos básicos em termos de emergia [sej] para o ciclo ORC reversível regenerativo com aquecedor de alimentação fechado utilizando o fluido NH3. 104 Tabela 5.57 – Índices emergéticos derivados para o ciclo ORC reversível regenerativo com aquecedor de alimentação fechado utilizando o fluido R134a. 104 Tabela 5.58 – Índices emergéticos derivados para o ciclo ORC reversível regenerativo com aquecedor de alimentação fechado utilizando o fluido NH3. 104 XVI Tabela 5.59 – Índices emergéticos do aço para o ciclo ORC irreversível regenerativo com aquecedor de alimentação fechado utilizando o fluído R134a referente a fase de construção. 106 Tabela 5.60 – Índices emergéticos do aço para o ciclo ORC irreversível regenerativo com aquecedor de alimentação fechado utilizando o fluído NH3 referente a fase de construção. 107 Tabela 5.61 – Índices emergéticos do R134a para o ciclo ORC irreversível regenerativo com aquecedor de alimentação fechado referente a fase de construção. 108 Tabela 5.62 – Índices emergéticos do NH3 para o ciclo ORC irreversível regenerativo com aquecedor de alimentação fechado referente a fase de construção. 108 Tabela 5.63 – Índices emergéticos para o ciclo ORC irreversível regenerativo com aquecedor de alimentação fechado utilizando o fluído R134a referente a fase de operação. 109 Tabela 5.64 – Índices emergéticos para o ciclo ORC irreversível regenerativo com aquecedor de alimentação fechado utilizando o fluído NH3 referente a fase de operação. 109 Tabela 5.65 – Índices emergéticos para o ciclo ORC irreversível regenerativo com aquecedor de alimentação fechado utilizando o fluído R134a referente a fase de operação. 110 Tabela 5.66 – Índices emergéticos para o ciclo ORC irreversível regenerativo com aquecedor de alimentação fechado utilizando o fluído NH3 referente a fase de operação. 110 Tabela 5.67 – Índices emergéticos para o ciclo ORC irreversível regenerativo com aquecedor de alimentação fechado utilizando o fluído R134a referente ao produto do ciclo. 111 Tabela 5.68 – Índices emergéticos para o ciclo ORC irreversível regenerativo com aquecedor de alimentação fechado utilizando o fluído NH3 referente ao produto do ciclo. 111 Tabela 5.69 – Somatório dos índices emergéticos básicos em termos de emergia [sej] para o ciclo ORC irreversível regenerativo com aquecedor de alimentação fechado utilizando o fluido R134a. 111 XVII Tabela 5.70 – Somatório dos índices emergéticos básicos em termos de emergia [sej] para o ciclo ORC irreversível regenerativo com aquecedor de alimentação fechado utilizando o fluido NH3. 112 Tabela 5.71 – Índices emergéticos derivados para o ciclo ORC irreversível regenerativo com aquecedor de alimentação fechado utilizando o fluido R134a. 112 Tabela 5.72 – Índices emergéticos derivados para o ciclo ORC irreversível regenerativo com aquecedor de alimentação fechado utilizando o fluido NH3. 112 Tabela 5.73 – Comparação dos dados termodinâmicos e emergéticos para os diferentes ciclos ORC e seus respectivos fluidos de trabalho. 113 Tabela 5.74 – Propriedades termodinâmicas para o ciclo ORC irreversível com fluido R134a utilizando a Consideração 1. 117 Tabela 5.75 – Propriedades termodinâmicas para o ciclo ORC irreversível com fluido NH3 utilizando a Consideração 1. 117 Tabela 5.76 – Área, massa e taxa de energia para o ciclo ORC irreversível com fluido R134a utilizando a Consideração 1. 118 Tabela 5.77 – Área, massa e taxa de energia para o ciclo ORC irreversível com fluido NH3 utilizando a Consideração 1. 118 Tabela 5.78 – Índices emergéticos do aço para o ciclo ORC irreversível com fluído R134a referente a fase de construção utilizando a Consideração 1. 119 Tabela 5.79 – Índices emergéticos do aço para o ciclo ORC irreversível com fluído NH3 referente a fase de construção utilizando a Consideração 1. 120 Tabela 5.80 – Índices emergéticos do R134a para o ciclo ORC irreversível referente a fase de construção utilizando a Consideração 1. 121 Tabela 5.81 – Índices emergéticos do NH3 para o ciclo ORC irreversível referente a fase de construção utilizando a Consideração 1. 121 Tabela 5.82 – Índices emergéticos para o ciclo ORC irreversível com fluído R134a referente a fase de operação utilizando a Consideração 1. 122 Tabela 5.83 – Índices emergéticos para o ciclo ORC irreversível com fluído NH3 referente a fase de operação utilizando a Consideração 1. 122 Tabela 5.84 – Índices emergéticos para o ciclo ORC irreversível com fluído R134a referente a fase de operação utilizando a Consideração 1. 123 Tabela 5.85 – Índices emergéticos para o ciclo ORC irreversível com fluído NH3 referente a fase de operação utilizando a Consideração 1. 123 XVIII Tabela 5.86 – Índices emergéticos para o ciclo ORC irreversível com fluído R134a referente ao produto do ciclo utilizando a Consideração 1. 123 Tabela 5.87 – Índices emergéticos para o ciclo ORC irreversível com fluído NH3 referente ao produto do ciclo utilizando a Consideração 1. 124 Tabela 5.88 – Somatório dos índices emergéticos básicos em termos de emergia [sej] para o ciclo ORC irreversível com o fluido R134a utilizando a Consideração 1. 124 Tabela 5.89 – Somatório dos índices emergéticos básicos em termos de emergia [sej] para o ciclo ORC irreversível com o fluido NH3 utilizando a Consideração 1. 124 Tabela 5.90 – Índices emergéticos derivados para o ciclo ORC irreversível com fluido R134a utilizando a Consideração 1. 125 Tabela 5.91 – Índices emergéticos derivados para o ciclo ORC irreversível com fluido NH3 utilizando a Consideração 1. 125 Tabela 5.92 – Área, massa e taxa de energia para o ciclo ORC irreversível com fluido R134a utilizando a Consideração 2. 128 Tabela 5.93 – Área, massa e taxa de energia para o ciclo ORC irreversível com fluido NH3 utilizando a Consideração 2. 128 Tabela 5.94 – Índices emergéticos do aço para o ciclo ORC irreversível com fluído R134a referente a fase de construção utilizando a Consideração 2. 129 Tabela 5.95 – Índices emergéticos do aço para o ciclo ORC irreversível com fluído NH3 referente a fase de construção utilizando a Consideração 2. 130 Tabela 5.96 – Índices emergéticos do R134a para o ciclo ORC irreversível referente a fase de construção utilizando a Consideração 2. 131 Tabela 5.97 – Índices emergéticos do NH3 para o ciclo ORC irreversível referente a fase de construção utilizando a Consideração 2. 131 Tabela 5.98 – Índices emergéticos para o ciclo ORC irreversível com fluído R134a referente a fase de operação utilizando a Consideração 2. 132 Tabela 5.99 – Índices emergéticos para o ciclo ORC irreversível com fluído NH3 referente a fase de operação utilizando a Consideração 2. 132 Tabela 5.100 – Índices emergéticos para o ciclo ORC irreversível com fluído R134a referente a fase de operação utilizando a Consideração 2. 133 Tabela 5.101 – Índices emergéticos para o ciclo ORC irreversível com fluído NH3 referente a fase de operação utilizando a Consideração 2. 133 XIX Tabela 5.102 – Índices emergéticos para o ciclo ORC irreversível com fluído R134a referente ao produto do ciclo utilizando a Consideração 2. 133 Tabela 5.103 – Índices emergéticos para o ciclo ORC irreversível com fluído NH3 referente ao produto do ciclo utilizando a Consideração 2. 134 Tabela 5.104 – Somatório dos índices emergéticos básicos em termos de emergia [sej] para o ciclo ORC irreversível com o fluido R134a utilizando a Consideração 2. 134 Tabela 5.105 – Somatório dos índices emergéticos básicos em termos de emergia [sej] para o ciclo ORC irreversível com o fluido NH3 utilizando a Consideração 2. 134 Tabela 5.106 – Índices emergéticos derivados para o ciclo ORC irreversível com fluido R134a utilizando a Consideração 2. 135 Tabela 5.107 – Índices emergéticos derivados para o ciclo ORC irreversível com fluido NH3 utilizando a Consideração 2. 135 Tabela 5.108 – Área, massa e taxa de energia para o ciclo ORC irreversível com fluido R134a utilizando a Consideração 2 e 3. 139 Tabela 5.109 – Área, massa e taxa de energia para o ciclo ORC irreversível com fluido NH3 utilizando a Consideração 2 e 3. 139 Tabela 5.110 – Índices emergéticos do aço para o ciclo ORC irreversível com fluído R134a referente a fase de construção utilizando a Consideração 2 e 3. 140 Tabela 5.111 – Índices emergéticos do aço para o ciclo ORC irreversível com fluído NH3 referente a fase de construção utilizando a Consideração 2 e 3. 141 Tabela 5.112 – Índices emergéticos do R134a para o ciclo ORC irreversível referente a fase de construção utilizando a Consideração 2 e 3. 142 Tabela 5.113 – Índices emergéticos do NH3 para o ciclo ORC irreversível referente a fase de construção utilizando a Consideração 2 e 3. 142 Tabela 5.114 – Índices emergéticos para o ciclo ORC irreversível com fluído R134a referente a fase de operação utilizando a Consideração 2 e 3. 143 Tabela 5.115 – Índices emergéticos para o ciclo ORC irreversível com fluído NH3 referente a fase de operação utilizando a Consideração 2 e 3. 143 Tabela 5.116 – Índices emergéticos para o ciclo ORC irreversível com fluído R134a referente a fase de operação utilizando a Consideração 2 e 3. 144 Tabela 5.117 – Índices emergéticos para o ciclo ORC irreversível com fluído NH3 referente a fase de operação utilizando a Consideração 2 e 3. 144 XX Tabela 5.118 – Índices emergéticos para o ciclo ORC irreversível com fluído R134a referente ao produto do ciclo utilizando a Consideração 2 e 3. 144 Tabela 5.119 – Índices emergéticos para o ciclo ORC irreversível com fluído NH3 referente ao produto do ciclo utilizando a Consideração 2 e 3. 145 Tabela 5.120 – Somatório dos índices emergéticos básicos em termos de emergia [sej] para o ciclo ORC irreversível com o fluido R134a utilizando a Consideração 2 e 3. 145 Tabela 5.121 – Somatório dos índices emergéticos básicos em termos de emergia [sej] para o ciclo ORC irreversível com o fluido NH3 utilizando a Consideração 2 e 3. 145 Tabela 5.122 – Índices emergéticos derivados para o ciclo ORC irreversível com fluido R134a utilizando a Consideração 2 e 3. 146 Tabela 5.123 – Índices emergéticos derivados para o ciclo ORC irreversível com fluido NH3 utilizando a Consideração 2 e 3. 146 Tabela 5.124 – Área, massa e taxa de energia para o ciclo ORC irreversível regenerativo com aquecedor de alimentação fechado e fluido R134a utilizando o novo método. 148 Tabela 5.125 – Área, massa e taxa de energia para o ciclo ORC irreversível regenerativo com aquecedor de alimentação fechado e fluido NH3 utilizando o novo método. 148 Tabela 5.126 – Índices emergéticos do aço para o ciclo ORC irreversível regenerativo com aquecedor de alimentação fechado com o fluído R134a referente a fase de construção utilizando o novo método. 150 Tabela 5.127 – Índices emergéticos do aço para o ciclo ORC irreversível regenerativo com aquecedor de alimentação fechado com o fluído NH3 referente a fase de construção utilizando o novo método. 151 Tabela 5.128 – Índices emergéticos do R134a para o ciclo ORC irreversível regenerativo com aquecedor de alimentação fechado referente a fase de construção utilizando o novo método. 152 Tabela 5.129 – Índices emergéticos do NH3 para o ciclo ORC irreversível regenerativo com aquecedor de alimentação fechado referente a fase de construção utilizando o novo método. 152 XXI Tabela 5.130 – Índices emergéticos para o ciclo ORC irreversível regenerativo com aquecedor de alimentação fechado com o R134a referente a fase de operação utilizando o novo método. 153 Tabela 5.131 – Índices emergéticos para o ciclo ORC irreversível regenerativo com aquecedor de alimentação fechado com o NH3 referente a fase de operação utilizando o novo método. 153 Tabela 5.132 – Índices emergéticos para o ciclo ORC irreversível regenerativo com aquecedor de alimentação fechado com o fluído R134a referente a fase de operação utilizando o novo método. 154 Tabela 5.133 – Índices emergéticos para o ciclo ORC irreversível regenerativo com aquecedor de alimentação fechado com o fluído NH3 referente a fase de operação utilizando o novo método. 154 Tabela 5.134 – Índices emergéticos para o ciclo ORC irreversível regenerativo com aquecedor de alimentação fechado com o R134a referente ao produto do ciclo utilizando o novo método. 155 Tabela 5.135 – Índices emergéticos para o ciclo ORC irreversível regenerativo com aquecedor de alimentação fechado com o NH3 referente ao produto do ciclo utilizando o novo método. 155 Tabela 5.136 – Somatório dos índices emergéticos básicos em termos de emergia [sej] para o ciclo ORC irreversível regenerativo com aquecedor de alimentação fechado com o fluido R134a utilizando o novo método. 155 Tabela 5.137 – Somatório dos índices emergéticos básicos em termos de emergia [sej] para o ciclo ORC irreversível regenerativo com aquecedor de alimentação fechado com o fluido NH3 utilizando o novo método. 156 Tabela 5.138 – Índices emergéticos derivados para o ciclo ORC irreversível regenerativo com aquecedor de alimentação fechado com o fluido R134a utilizando o novo método. 156 Tabela 5.139 – Índices emergéticos derivados para o ciclo ORC irreversível regenerativo com aquecedor de alimentação fechado com o fluido NH3 utilizando o novo método. 156 Tabela 5.140 – Comparação dos dados termodinâmicos e emergéticos para os diferentes ciclos ORC e seus respectivos fluidos de trabalho com o novo método para os ciclos irreversíveis. 158 XXII Tabela 5.141 – Comparação entre a massa do fluído de trabalho com a massa dos componentes dos ciclos ORC. 159 Tabela 5.142 – Comparação entre a emergia do fluído de trabalho com a emergia dos componentes de aço dos ciclos ORC. 160 Tabela 5.143 – Comparação entre os índices emergéticos básicos dos ciclos ORC. 161 Tabela 5.144 – Comparação dos índices emergéticos derivados para os diferentes ciclos ORC e outros seis sistemas de geração de potência, conforme Zhang et al. (2018). 162 XXIII LISTA DE SÍMBOLOS / /eva con afA Área dos trocadores de calor [m 2 ] rC Calor residual [J] dieselC Média do consumo de Diesel [MJ/(kt.km)] d Distância percorrida na fase de desativação [km] transD Diesel para transporte [J] cicloE Energia produzida ao longo do ciclo de vida do sistema [J] /l con E Energia liberada pelo condensador [J] vcE Energia do volume de controle [J] EIS Índice emergético de sustentabilidade [adimensional] EIR Taxa de investimento ambiental [adimensional] ELR Taxa de carregamento ambiental [adimensional] EYR Taxa de rendimento energético [adimensional] nF Insumos adquiridos não renováveis [J] rF Insumos adquiridos renováveis [J] g Aceleração da gravidade [m/s²] h Coeficiente de transferência de calor por convecção [W/(m 2 .K)] ih Entalpia [kJ/kg] k Condutividade térmica [W/(m.K)] ft L Perda de fluído de trabalho no ciclo [%] m Vazão mássica total do ciclo [kg/s] 3m Vazão mássica proveniente do segundo estágio da turbina [kg/s] crm Vazão mássica do gás de calor residual [kg/s] ,ar fm Vazão mássica da ar no condensador [kg/s] ,ar qm Vazão mássica de ar no evaporador [kg/s] .água fm Vazão mássica da água no condensador [kg/s] .água qm Vazão mássica da água no evaporador [kg/s] / /eva con afm Massa dos trocadores de calor [kg] XXIV ft m Massa fluído de trabalho [kg] tciclom Massa total do ciclo [kg] n Tempo de operação anual do sistema [horas] N Recursos ambientais não renováveis [J] P Produto [J] Q Taxa de transferência de calor [W] af Q Taxa de transferência de calor do aquecedor de alimentação fechado [W] cond Q Taxa de transferência de calor do condensador [W] eva Q Taxa de transferência de calor do evaporador [W] vc Q Taxa de transferência de calor do volume de controle [W] R Recursos ambientais renováveis [J] rT Transformada [sej/J] conT Diferença de temperatura do condensador [°C] evaT Diferença de temperatura do evaporador / /eva con afmlT Média logarítmica das diferenças de temperatura dos trocadores de calor [°C] crT Temperatura do gás de calor residual [°C] U Energia potencial [J] / /eva con afU Coeficiente global de transferência de calor [W/(m².K)] v Velocidade [m/s] W Trabalho [W] bW Trabalho da bomba [W] líquidoW Trabalho líquido do sistema [W] . tW Trabalho da turbina [W] 1tW Trabalho da turbina de primeiro estágio [W] 2tW Trabalho da turbina de segundo estágio [W] vcW Trabalho do volume de controle [W] y Tempo de operação do sistema [anos] XXV Y Rendimento [sej] z Altitude [m] LETRAS GREGAS b Massa requerida pela bomba [kg/kW] t Massa requerida pela turbina [kg/kW]  Massa de fluido de trabalho requerida pela turbina [kg/kW]  Efetividade [adimensional] / /eva con af  Espessura das placas dos trocadores de calor [m]  Eficiência térmica [adimensional] / /eva con af  Densidade dos trocadores de calor [kg/m³] aço  Densidade do aço [kg/m³] t Eficiência isentrópica da turbina [adimensional] b Eficiência isentrópica da bomba [adimensional] 1 CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO 1.1 – MUDANÇAS NO CLIMA AO LONGO DO TEMPO Desde a segunda revolução industrial, quando a expansão da indústria começou a tomar proporções mundiais, os recursos naturais passaram a ser explorados de forma mais intensiva alterando de forma agressiva o meio ambiente que nos circunda. Inicialmente com a invenção da máquina a vapor, o desmatamento para obtenção de carvão vegetal e a exploração para adquirir carvão mineral passaram a ocorrer de forma mais acelerada causando poluição atmosférica provinda da sua queima, liberando gases como dióxido carbônico (CO2) o qual é um dos gases causadores do efeito estufa, emitindo particulados entre outros. Somado a isso outras áreas da indústria evoluíram neste mesmo período. De acordo com Mokyr (1998), nesta época ocorreram os desenvolvimentos nas áreas de energia, materiais, produtos químicos e medicina. Até então, não existia uma economia de fabricação e exportação global assim como o conhecimento técnico e científico para tal. Cada uma dessas áreas de desenvolvimento estava interligada, sendo uma responsável por gerar, providenciar ou levar insumos para a outra. Com esta necessidade excessiva de insumos e a descoberta de novos materiais como o aço, foi possível desenvolver motores a combustão e posteriormente os ciclos de geração de potência. Todas essas novas descobertas e métodos industriais trouxeram também outros tipos de poluição, seja na geração de resíduos ou rejeitos, no desmatamento para exploração mineral ou vegetal, para construção de instalações dentre outros. Até o início dos anos 1930 uma mudança na temperatura do planeta havia sido notada através de algumas alterações como, por exemplo, o não congelamento de rios, redução das geleiras, mudança do local de migração de animais entre outros. Contudo os cientistas da época pensaram que se tratava apenas de mais um período de aquecimento do planeta. Entretanto foi a partir dos anos 60, conforme descrito por 2 Weart (1997), que os pesquisadores começaram a se preocupar com questões ambientais no momento em que constataram um rápido aumento da temperatura e alterações na órbita do planeta, níveis mais altos de radiação solar, modificações espontâneas das correntes marítimas, maiores níveis de concentração de dióxido de carbono dentre outas mudanças climáticas que o planeta vinha sofrendo. A partir destas constatações, esforços para tentar conter os impactos ambientais causados pela intervenção humana se iniciaram como a busca pela utilização de matérias primas provinda de fontes renováveis ou que impactassem menos o ambiente, utilização de processos menos nocivos ao meio ambiente e fontes de geração de energia mais renováveis. Com isto, possuir a informação de que um material/método seja mais sustentável e impacte menos o meio ambiente em relação a outro passou a ser utilizado nas tomadas de decisões para escolha de determinado produto ou serviço. Este estudo tem como objetivo mensurar a sustentabilidade do processo de geração de potência através de ciclos orgânicos de Rankine (ORC), a fim de verificar quais ciclos são mais ou menos sustentáveis em termos de análise emergética. 1.2 – O CICLO ORGÂNICO DE RANKINE O ciclo orgânico de Rankine consiste em um tipo de sistema de geração de potência a vapor que utiliza um ciclo termodinâmico para disponibilizar energia elétrica e/ou mecânica. Este tipo de ciclo funciona a partir da utilização de um fluido de trabalho com mudança de fase. Um esquema do ciclo básico de Rankine pode ser visualizado na Fig. 1.1. (a) (b) Figura 1.1 – (a) Modelo de um ciclo de Rankine básico. (b) Diagrama T-s para um ciclo de Rankine básico. Fonte: Shapiro e Moran (2018). 3 O fluido é aquecido por uma fonte geradora de calor até o seu estado de vapor, seguindo para uma turbina onde ocorre a expansão responsável por gerar energia mecânica/ elétrica. O fluido é então resfriado no condensador ao circular próximo ao fluxo de um fluido frio e então bombeado de volta para o aquecimento. O aquecimento pode provir de diversas fontes como, a queima de combustíveis fósseis, reação nuclear, fontes geotérmicas ou aquecedores solares. Os sistemas reais utilizados na indústria (irreversíveis) normalmente agregam outros componentes com o intuito de aumentar a eficiência térmica e/ou a potência do ciclo a fim de se produzir mais energia mecânica/elétrica, como por exemplo, turbinas adicionais, aquecedores após o condensador, dentre outros. Os ciclos ideais de geração de potência a vapor reversíveis se diferem dos ciclos reais irreversíveis pelo fato de não serem consideradas as perdas devido às irreversibilidades intrínsecas aos sistemas. Alguns tipos de irreversibilidade que ocorrem são: irreversibilidade interna nas turbinas e bombas/compressores, causando queda e aumento de entropia reduzindo a potência líquida do sistema; atrito do fluido de trabalho; perda de calor para o meio externo e assim por diante. Neste trabalho serão abordados ciclos reversíveis e irreversíveis a fim de verificar o impacto da irreversibilidade nos resultados de cada tipo de sistema. Desde o final do século passado estudos estão sendo desenvolvidos com o intuito de obter substitutos para os fluidos CFC’s e com isso, os fluidos orgânicos vêm ganhando espaço, principalmente em aplicações com calor residual provindos de atividades industriais para geração de energia elétrica através do ciclo orgânico de Rankine “Organic Rankine Cycle – ORC” onde as temperaturas oscilam entre 90ºC e 350ºC. O ciclo ORC apresenta componentes semelhantes aos do ciclo de Rankine comum, havendo apenas a diferença do fluido de trabalho e as temperaturas de operação do ciclo termodinâmico. Sendo assim, é preciso estudar os diferentes tipos de fluidos orgânicos a fim de escolher o fluido com as melhores propriedades para determinada aplicação em um ciclo. Um ciclo ORC empregado para produzir eletricidade a partir de calor residual será o alvo deste estudo, avaliando o ciclo para diferentes fluídos orgânicos de trabalho e diferentes configurações de montagem do ciclo (alterando e adicionando componentes) com o intuito de obter uma base de cálculos termodinâmicos realizando assim, uma expansão para análise emergética e então comparar os resultados para os diferentes ciclos e diferentes fluidos de trabalho. 4 1.3 – TIPOS DE ANÁLISES DE CICLOS TERMODINÂMICOS Existem diversas ferramentas para análises de ciclos termodinâmicos, sendo algumas delas a energética, exergética, minimização da geração de entropia, entransia, termoeconômica, exergoeconômica e emergia. Esses diferentes tipos de análise de ciclos termodinâmicos serão apresentados brevemente a seguir. A análise energética corresponde ao método mais usual para mensurar ciclos termodinâmicos. A partir da definição das hipóteses simplificadoras que regem o sistema, um volume de controle deve ser selecionado contendo o componente do ciclo que se deseja analisar para então aplicar um balanço de energia através da primeira lei da termodinâmica e obter assim, a quantidade de calor ou trabalho de um determinado componente ou do ciclo como um todo. Neste tipo de análise os índices que são comumente usados para classificar ou comparar diferentes ciclos termodinâmicos são: potência líquida, diferença entre a potência gerada pela(s) turbina(s), a potência consumida pela(s) bomba(s) e o rendimento do ciclo dado em termos percentuais pela relação entre a potência líquida do ciclo e a taxa de energia fornecida ciclo. Exergia, de acordo com Shapiro e Moran (2018), corresponde ao maior trabalho que pode ser gerado durante o processo de equilíbrio entre o sistema e o ambiente, estado esse de equilíbrio conhecido como estado morto. O índice de exergia nunca pode ser negativo e varia conforme as condições do meio ambiente. A eficiência exergética soma-se a análise energética pois, a primeira lei da termodinâmica fornece a quantidade de potência produzida pelo ciclo enquanto a análise exergética mensura através da segunda lei da termodinâmica a taxa de aproveitamento exergético, ou seja, mede a eficácia da utilização da energia disponível no sistema. O índice que mede a eficiência exergética provém do balanço entre as taxas de energia e exergia, tendo uma formulação diferente para cada componente do ciclo termodinâmico. Entropia está relacionada com o grau agitação das partículas de um sistema, ou seja, conforme um sistema recebe calor o grau de agitação de suas partículas tende a aumentar então sua entropia aumenta. Quando um sistema perde calor suas partículas tendem a agitar menos e consequentemente a entropia diminuiu, e quando um sistema permanece em equilíbrio térmico a entropia tende a zero. A entropia trata-se de uma propriedade não conservativa, ou seja, ela é produzida nos sistemas a partir de irreversibilidade conforme descrito por Shapiro e Moran (2018), sendo assim a entropia sempre tem que ser maior ou igual a zero, nunca negativa. Desse modo temos que a 5 geração de entropia mede o trabalho que deixa de ser aproveitado pelo sistema devido às irreversibilidades, e com isso vem o termo de minimização da geração de entropia de um ciclo termodinâmico, que corresponde a busca pela máxima otimização da utilização do trabalho disponível pelo sistema. O índice de minimização da geração de entropia é dado pela diferença entre a taxa real de trabalho pela taxa ideal (sem irreversibilidade). Outro tipo de análise de ciclos termodinâmicos que vem sendo utilizado recentemente é a análise de entransia. Apresentado primeiramente em 2007 por Guo, Liang e Xin (2007) com o intuito de medir irreversibilidades de certas trocas de calor nas quais a entropia não era capaz de mensurar de forma satisfatória, partindo da quantificação do calor reversível do sistema, ou seja, a entransia mede a energia potencial do sistema que pode ser transferida em forma de calor. De acordo com Del Rio Oliveira e Milanez (2014) a transferência de entrasia é proporcional a transferência de exergia a partir de uma temperatura fixada para o meio externo, sendo que a entransia diminuiu a medida que a transferência de calor ocorre entre o sistema e o meio externo, podendo então ser relacionada com a taxa de geração de entropia ou destruição de exergia. Desse modo a analise de entransia mensura a capacidade do sistema em transformar a energia disponível em calor para ser aproveitado pelo próprio sistema, equivalente ao se aplicar a taxa mínima de geração de entropia. A análise exergoeconômica também contribuiu para a verificação de ciclos termodinâmicos. Tsatsaronis e Winhold (1985) apresentam em sua pesquisa uma definição para este tipo de análise como sendo uma combinação entre o estudo exergético e econômico para avaliar os processos de conversão de energia. O foco deste tipo de abordagem é avaliar os custos atrelados às irreversibilidades do ciclo termodinâmico e posterior comparação com o investimento de cada componente do ciclo separadamente, para então aperfeiçoar o sistema tanto em termos energéticos quanto econômicos. No mesmo segmento da análise exergoeconômica, a análise termoeconômica também relaciona a exergia e energia, entretanto sua abordagem é mais geral, relacionando a análise termodinâmica provinda da primeira lei com a aplicação de uma análise econômica geral para o sistema e não para cada componente como é realizada na análise exergoeconômica, conforme apresentado também por Tsatsaronis e Winhold (1985). A análise emergética se apresenta como outra ferramenta adicional para análises de ciclos termodinâmicos, da mesma maneira que os outros tipos de análises 6 apresentados nesta seção, ela será utilizada neste estudo como medida adicional para verificar a viabilidade da utilização de certos ciclos orgânicos de Rankine e será detalhada na seção a seguir. 1.4 – ANÁLISES DE CICLO DE VIDA E EMERGIA O termo “energia” já está amplamente difundido em virtude dos diversos estudos realizados inicialmente pelos físicos do século XVIII até os primeiros trabalhos voltados para a área térmica, principalmente a partir das publicações de James Prescott Joule ocorridos no século XIX, que culminaram no desenvolvimento da primeira lei da termodinâmica. A energia é medida em termos de caloria, onde uma caloria corresponde ao calor necessário para aquecer 1°C um grama de água, de modo que uma quilocaloria corresponde a 4.186 Joules. Em contra partida, a emergia mede não apenas a energia disponível como também toda energia utilizada para chegar ao estado final de um sistema. Odum (1996) elucida a emergia como uma “memória energética” e exemplifica a energia e a emergia da seguinte maneira: Considerando uma floresta, ao queimar as árvores, a energia estará sendo liberada na forma de calor. Já em termos emergéticos para a mesma floresta, emergia corresponde a toda energia absorvida pela floresta (sol, água, oxigênio, nutrientes, dentre outros) assim como a energia disponível na floresta no estado atual que pode ser convertida em calor no caso da queima, por exemplo. Este tipo de análise inicialmente foi utilizado muito por biólogos com o intuito de medir a emergia de ecossistemas e nos últimos anos vem sendo adotada nos estudos de engenharia para avaliar o impacto ambiental na produção de algum material ou intervenção ambiental para instalação e utilização de recursos, devido a isto, existem dificuldades em encontrar dados emergéticos para determinados materiais ou processos para uma análise aplicada à engenharia, no caso deste estudo, produção de energia elétrica através de um ciclo orgânico de Rankine (ORC) utilizando calor residual como fonte térmica para aquecimento do fluído. De maneira mais técnica, Odum (1996) define a emergia como sendo: “Energia disponível utilizada direta ou indiretamente para produzir um produto ou serviço, ou seja, é a contribuição em termos de energia e é medida em [emjoule]”. Uma forma alternativa de se medir a emergia é a emergia em termos solar, nomeada de emergia solar (Solar Emergy). Odum (1996) a define como: “Energia em 7 termo solar disponível utilizada direta ou indiretamente para produzir um produto ou serviço, ou seja, é a contribuição em termos de energia e é medida em solar emjoule [sej]”. A diferença entre este tipo de emergia e a outra apresentada no parágrafo anterior é a base de comparação para e energia onde, neste caso, a base de comparação é a energia emitida pela radiação solar. Os estudos de análise emergética usualmente usam a emergia solar, pois em termos de hierarquia de energia no nosso planeta a energia solar é o primórdio para a geração dos recursos ou insumos básicos e sua emissão é constante, sendo um ótimo parâmetro para comparação. Devido a isto, este estudo seguirá esta tendência e usará a emergia solar em suas análises. Para aplicar uma análise emergética é preciso realizar uma análise de ciclo de vida (life cycle). Em uma análise do ciclo de vida utiliza-se o conceito de janela ambiental onde, no sistema a ser estuado, aplica-se um volume de controle a fim de separar o sistema em fases e relacionar em cada uma dessas fases os insumos necessários para construção e produção de um determinado serviço ou produto. Neste estudo foi utilizado um ciclo ORC para produção de energia elétrica através do calor residual de modo que, aplicando os conceitos da janela ambiental, o sistema foi dividido nas seguintes fases:  Fase de construção: é realizada a contabilização de todos os recursos necessários para a fabricação dos componentes do ciclo termodinâmico (trocadores de calor, turbinas, bombas, fluidos de trabalho e etc).  Fase de operação: é realizada a contabilização dos insumos necessários para manter o sistema funcionando durante todo o seu ciclo de vida.  Fase de desativação: é realizada a contabilização dos recursos utilizados no transporte para destinação final dos componentes do sistema como um todo. Um exemplo de montagem de uma janela ambiental pode ser visualizado na Fig. (1.2). 8 Figura 1.2 – Exemplo de uma janela ambiental para uma planta de geração de energia elétrica com fonte térmica. Fonte: Brown, Raugei e Ulgiati (2012). Como apresentado anteriormente, dentro do volume de controle da janela ambiental é necessário inserir os recursos utilizados em cada uma das fases que a compõe, esses recursos são chamados de índices emergéticos básicos e estão definidos abaixo, de acordo com Liang et al (2016):  Recursos ambientais renováveis [ ]R : São recursos extraídos diretamente do meio ambiente e que são renováveis, como por exemplo, o ar, a luz solar e a água;  Recursos ambientais não renováveis [ ]N : São recursos extraídos diretamente do meio ambiente mas não são renováveis, como por exemplo, o calor residual e alguns minérios retirados do solo;  Insumos adquiridos renováveis [ ]rF : São elementos que precisaram de alguma intervenção para chegar em seu estado atual mas são renováveis, como por exemplo a hidroeletricidade e a mão de obra;  Recursos adquiridos não renováveis [ ]nF : São elementos que precisaram de alguma intervenção para chegar em seu estado atual mas não são renováveis, como por exemplo carvão, petróleo, diesel e nitrogênio; 9  Produto [P]: Representa o produto de um sistema industrial, ou seja, o resultado de um processo, como por exemplo, eletricidade em uma planta de energia, bioetanol em um sistema de produção de biocombustível, entre outros. A partir dos índices emergéticos básicos é possível realizar os cálculos de emergia para se obter os índices emergéticos derivados, dos quais partem a verificação da sustentabilidade ambiental de um serviço/produto. Esses índices são responsáveis por classificar ou explicar o comportamento do sistema em termos ambientais e emergéticos, sendo eles definidos abaixo de acordo com Liang et al (2016):  Rendimento [Y]: Corresponde ao somatório dos índices emergéticos básicos (R, N, Fr, Fn) em termos de emergia (suas respectivas unidades multiplicada pelas suas respectivas transformadas) e representa a quantidade total de emergia necessária para se obter um determinado produto ou serviço;  Transformada do produto [ ]rT : Corresponde ao rendimento [R] dividido pelo produto [P] de modo que, mede a emergia consumida pela unidade do produto. É a partir da transformada que é possível converter um termo (energia, massa ou monetário) em emergia. A transformada do produto aparece de dois modos em uma análise emergética:  É preciso possuir a transformada dos índices emergéticos básicos (R, N, Fr, Fn) referente a cada um dos elementos utilizados na constituição de determinado material, como por exemplo: ao utilizar 1 kg de um elemento de aço na análise emergética, é preciso saber quais elementos foram utilizados na fabricação deste aço (elementos químicos, energia, calor, mão de obra utilizada entre outros) e sua proporção em termos de massa, energia ou até mesmo monetário para compor este 1kg sendo que, eles devem estar separados em termos de índices emergéticos básicos. A partir daí, é preciso multiplicar o valor destes elementos em termos de suas respectivas unidades (em massa, energia ou termos monetários) pela sua respectiva transformada a fim de obter a emergia atrelada a estes elementos. Neste caso é considerado que em um determinado nível da cadeia produtiva, cada um desses elementos já foram um produto e 10 tiveram a sua cadeia produtiva analisada para obter esta transformada, são então valores encontrados na literatura pois não são o alvo do estudo em questão, mas já foram em algum momento no passado.  Possuindo a emergia de cada elemento que compõe o material de estudo, no caso do estudo hipotético do item anterior 1 kg de um elemento de aço, é preciso calcular a transformada do produto, ou seja, a transformada deste elemento de aço. Para isto é necessário somar a emergia total de cada um dos elementos analisados no item anterior e dividir pela massa total do elemento (no caso 1kg), obtendo assim a transformada do produto.  Taxa de rendimento emergético [ ]EYR : Corresponde ao rendimento dividido pelos insumos renováveis e não renováveis. Este índice mede a capacidade do sistema em explorar recursos locais e torna-los disponíveis para investimentos em recursos externos;  Taxa de carregamento ambiental [ ]ELR : Corresponde aos índices não renováveis (N e Fn) dividido pelos índices renováveis (R e Fr). Este índice mede a carga ambiental do sistema, ou seja, o impacto causado pela exploração do meio ambiente para obtê-lo, uma vez que os índices não renováveis não podem ser substituídos na natureza;  Taxa de investimento ambiental [ ]EIR : Corresponde aos índices renováveis (R e Fr) dividido pelos índices não renováveis (N e Fn). Este índice mede o nível de investimento na utilização de emergia;  Índice emergético de sustentabilidade [ ]EIS : Corresponde a divisão entre o [EYR] e o [ELR]. Este índice mede a sustentabilidade de um produto, processo ou serviço. O índice mais utilizado na análise emergética é o “Índice Emergético de Sustentabilidade – EIS (Emergy Index of Sustainability)”. O índice emergético de sustentabilidade é dividido em três categorias de acordo com Liang et al (2016): Se 1EIS , o processo é sustentável em um curto prazo; Se 1 5 EIS , o processo é sustentável em um médio prazo; E se 5EIS , o processo é sustentável em um longo prazo. Este tipo de análise aplicado à engenharia ainda é um termo novo, conforme 11 explicado por Brown e Ulgiat (2012), e ainda não há uma base de dados grande para realizar a comparação de resultados. Essa classificação de EIS entre intervalos de número foi e continua sendo utilizada nos estudos de biologia para mensurar a sustentabilidade de ecossistemas, economias de países e produção de determinados elementos sendo que, estes tipos de estudos possuem uma gama bem maior de resultados e comparações. Devido a isto, os primeiros estudos de engenharia utilizaram esta classificação e a utilizam até hoje, por este motivo também será utilizada neste estudo. De acordo com Brown e Ulgiat (2012) o índice emergético de sustentabilidade [EIS] pode ser utilizado de duas formas: 1. Para comparar diferentes sistemas ou economias em termos de sustentabilidade classificando-os em sustentável por longo, médio e curto prazo; 2. Para criar uma linha de tendência de uma determinada economia ou sistema por um determinado período sendo que, as mudanças observadas indicarão se a evolução será sustentável ou não. A transformada [ ]rT é dada na unidade [sej/unidade] e mensura a quantidade de “solarjoule” necessária para obter uma unidade do objeto desejado, por exemplo: Para produzir 25 toneladas de carvão são necessários 25 [sej], então a transformada corresponde aos 25 [sej] dividido pelas 25 toneladas de carvão sendo igual a 1[sej/t]. A partir dos dados da transformada e da unidade do objeto desejado é possível calcular a emergia atrelada a esse objeto. Neste trabalho os resultados da análise emergética serão comparados em relação a diferentes fluidos de trabalho e diferentes ORC com o intuito de se determinar o desempenho dos ciclos ORC e classifica-los em relação ao índice EIS . 1.4 – OBJETIVO O objetivo desse trabalho é verificar a viabilidade ambiental de diferentes ciclos ORC utilizando diferentes fluidos de trabalho através de uma análise emergética a partir dos seguintes passos: 12 1) Realização de análise termodinâmica para diferentes ciclos ORC, tanto reversíveis como irreversíveis, utilizando diferentes fluidos de trabalho orgânicos a título de comparação. 2) Aplicação das análises de ciclo de vida e emergética para os ciclos ORC desenvolvidos no item anterior. 3) Propor uma nova formulação para a análise de ciclos irreversíveis. 4) Comparação dos resultados para os diferentes ciclos e fluidos de trabalho, ranqueá-los em relação ao índice emergético de sustentabilidade EIS e verificar se são sustentáveis a longo, médio ou curto prazo. 13 CAPÍTULO 2 REVISÃO DE LITERATURA Ao longo dos últimos anos estudos para melhorar o desempenho de ciclos orgânicos de Rankine (ORC) vêm sendo realizados a fim de se obter um melhor desempenho do ciclo, quer seja pela otimização estrutural de seus componentes, do fluido de trabalho ou até mesmo das condições de operação como temperatura e pressão, uma vez que este tipo de sistema de geração de potência já está bastante difundido tanto em aplicações teóricas como práticas. Com este intuito Li, Wang e Du (2012) estudaram a influência do pinch point e da temperatura de evaporação (PPTD) no desempenho de um ciclo básico ORC contendo apenas um evaporador, um condensador, uma turbina e uma bomba com fonte de calor residual provindo de gases de combustão. Os autores avaliaram tanto o evaporador como o condensador utilizando fluidos orgânicos secos e isentrópicos. Foi determinado que nem todos os fluidos orgânicos de trabalho conseguem atingir a potência útil máxima do sistema e que, com o aumento do (PPTD), o comportamento entre a área total de transferência de calor e o desempenho econômico (potência líquida dividida pela área total de transferência de calor) são inversamente proporcionais, ou seja, com o aumento do (PPTD) a área total de transferência de calor diminui incialmente e depois aumenta enquanto o desempenho econômico diminui. Foi observado também que os fluidos orgânicos isentrópicos apresentam desempenho econômico superior aos fluidos orgânicos secos. Com os resultados obtidos os autores verificaram que o ciclo com fluido de trabalho R11 obteve a maior potência líquida por área de transferência de calor e posterior a ele o R123, R245fa e R114, nesta ordem. Bufi, Camporeale e Cinnella (2017) apresentaram uma análise para a viabilização da utilização de gases de escape como fonte térmica residual para um ciclo ORC, fazendo uma relação entre o fluxo e a massa dos gases de escape com a temperatura de trabalho do ciclo. Os autores buscaram por uma combinação de parâmetros do ciclo que maximizasse a eficiência do ciclo ao mesmo tempo em que 14 minimizasse demais variações, ao qual eles chamaram de otimização robusta, utilizando seis diferentes fluidos orgânicos. Considerando um ciclo reversível, obtiveram como parâmetros mais influentes o resultado de eficiência térmica e de exergia do ciclo e as temperaturas do evaporador e condensador. Dos fluidos estudados, o R11 e o R113 resultaram em ciclos ORC mais eficientes. A utilização de diferentes fluidos orgânicos também está relacionada com o desempenho do ciclo ORC, como pode ser visto no estudo de Liu et al. (2014), onde foi abordada a eficiência do ciclo ORC por meio da eficiência da transferência de calor e a eficiência termodinâmica para o ciclo, com fonte de calor geotérmica operando através de temperaturas entre 120°C e 150°C com a função de gerar energia elétrica. Nesta pesquisa os autores utilizaram oito fluidos orgânicos de trabalho diferentes classificados como HFOs (hidrofluoroolfinas), que possuem como característica um baixo potencial de aquecimento global (GWP) e classificação zero para potencial de degradação de ozônio (ODP). Os autores sugeriram um novo termo, temperatura ideal da fonte de calor, para ser analisado juntamente com o pinch point para determinar a eficiência do ciclo, eles também comparam os resultados obtidos com os fluidos orgânicos mais utilizados sendo eles o R134a, R245fa e isopentano. Com este estudo os autores verificaram que a eficiência do sistema aumenta significativamente com o aumento da temperatura de salmoura geotérmica onde, os fluidos com maior temperatura crítica necessitam de maiores temperaturas de salmoura geotérmica para que haja a transição do pinch point do evaporador para o pré-aquecedor e também que, a eficiência do sistema aumenta com o aumento da pressão operacional. Em relação aos fluidos HFOs testados, o R1234yf foi considerado adequado por obter uma temperatura de operação em 120°C e por não possuir o pinch point como fator limitante, já o fluido R1225yeE obteve eficiência térmica de 8,7% mostrando assim ser uma boa opção também como escolha para o ciclo ORC com temperaturas em torno de 150°C somado a isso o fato de sua eficiência não ser limitado pelo aumento da pressão operacional. A maior temperatura obtida foi de 150°C e o fluido HFOs com maior eficiência térmica foi o R1234zeZ com o valor de 8,9%, valor este mais próximo ao melhor resultado de um fluido orgânico usual, o R245fa com 9,27%, mostrando que os HFOs podem ser utilizados como substitutos principalmente ao considerar os efeitos ambientais. Partindo do mesmo seguimento de análise conforme o último estudo apresentado, Uusitalo et al. (2018) também investigaram o comportamento de diferentes fluidos orgânicos a partir de suas propriedades termodinâmicas, com o intuito de 15 selecionar o fluido ideal para determinada temperatura de operação aplicada a um ciclo orgânico de Rankine. Os grupos de fluidos utilizados pelos autores foram hidrocarbonetos, fluorocarbonetos e siloxanos, totalizando trinta e cinco diferentes fluidos que foram relacionados segundo suas temperaturas críticas e massa molar. Foi observado neste estudo que se for possível utilizar uma pressão abaixo da pressão crítica do fluido, quanto maior a temperatura crítica do fluido de trabalho maior será a eficiência do ciclo ORC. Observou-se também que temperaturas críticas mais altas acarretam em altas taxas de expansão e baixas pressões no condensador, esta alta taxa de expansão foi mais observada nos fluidos siloxanos e hidrocarbonetos com características de temperaturas críticas mais altas, sendo então considerados ideais os hidrocarbonetos com baixa temperatura crítica para aplicações com ciclos de baixa temperatura enquanto os siloxanos e hidrocarbonetos de alta temperatura apresentaram melhor desempenho nos ciclos ORC de mais altas temperaturas. Foi constatado que as pressões de evaporação e condensação, a eficiência do ciclo e a vazão mássica estão relacionadas com os grupos dos fluidos de trabalho e com a temperatura crítica de cada fluido, sendo então ideal comparar fluidos do mesmo grupo para otimizar a eficiência do sistema e recomendado optar por fluidos que possuam temperatura crítica próximo da temperatura da fonte de calor do sistema para assim, atingir uma alta eficiência do ciclo e uma pressão no evaporador viável ao processo. Para auxiliar na escolha de um fluido orgânico para aplicações termodinâmicas, Chen, Goswami e Stefanakos (2010) realizaram uma revisão para ciclos ORC e ciclos ORC supercríticos com fonte de calor residual para geração de energia elétrica utilizando trinta e cinco diferentes fluidos de trabalho. Os autores denotaram em sua pesquisa a importância das propriedades físicas, estabilidade, impacto ambiental e custos para escolha do fluido ideal, também verificaram como o calor latente, densidade e calor específico alteram as condições de superaquecimento. Após analisar todos os diferentes fluidos de trabalho para os dois tipos de ciclos ORC apresentados, foi percebido que os ciclos ORC tem menor eficiência térmica comparados com os ciclos supercríticos, entretanto o ciclo supercrítico necessita de maiores pressões operacionais. Fluidos com alta densidade e alto calor latente apresentaram maior trabalho realizado pela turbina. Os fluidos isentrópicos e secos apresentaram melhores resultados aplicados ao ciclo ORC com superaquecimento enquanto os fluidos úmidos se destacaram em aplicações no ciclo ORC comum, em vista que o superaquecimento se mostrou 16 prejudicial na eficiência dos fluidos úmidos. Outra característica do ciclo supercrítico foi o melhor desempenho de fluidos com menores temperaturas e pressões críticas. No mesmo caminho, Saleh et al. (2007) exploraram trinta e um diferentes fluidos orgânicos de trabalho, sendo eles dos tipos alcanos, alcanos fluorados, éteres e éteres fluorados aplicados a um ciclo ORC com temperaturas variando entre 30 e 100°C provindos de fontes geotérmicas, limitados em sua maioria operando a 20 bar de pressão. Os autores utilizaram a eficiência térmica como parâmetro para comparação entre os diferentes fluidos de trabalho. Utilizando essa proposta, os autores validaram que as maiores eficiências térmicas são obtidas com as substâncias que possuem os maiores pontos de ebulição com a linha de vapor saturado tendendo ao processo subcrítico e também que, a transferência de calor se dá a uma taxa maior para os fluidos supercríticos e menor para os subcríticos com alta temperatura de ebulição. Eyerer et al. (2016) verificaram a viabilidade da substituição do fluido orgânico R245fa para o fluido orgânico R1233zd-E, devido à característica ambiental do R1233zd-E de baixo GWP (índice que mede o potencial de aquecimento global de uma substância), para aplicação em um ciclo orgânico de Rankine a partir da comparação de parâmetros termodinâmicos como eficiência e potência do ciclo ORC. Ambos os fluidos foram submetidos a testes para verificar a influência da vazão mássica, temperatura de condensação e velocidade de rotação do expansor (turbina) utilizando como fonte de calor para o ciclo um aquecedor elétrico. Com o experimento, foi observado que o R1233zd-E pode ser considerado um bom substituto para o R245fa não apenas pelo baixo índice GWP, mas por ter apresentado maior eficiência térmica em termos de porcentagem para potência líquida (6,92% maior), porém em termos de potência bruta o R245fa obteve um resultado de 12,17% maior. Entretanto alguns pontos necessitam de certos cuidados e adaptações para que a substituição de um fluido por outro seja assertiva e não cause danos ao sistema, o R1233zd-E proporciona uma maior vazão sendo necessários cuidados com vazamento de fluido para que não ocorram menores velocidades de rotação no expansor e consequentemente redução na eficiência do ciclo. Devido ao fato de maior vazão, algumas vantagens são obtidas a partir da utilização do R1233zd-E: A velocidade do expansor pode ser aumentada em comparação com o R245fa para comportar a maior vazão e consequentemente aumento da eficiência do ciclo; Com o aumento da vazão, o coeficiente médio de transferência de calor e a queda de pressão no condensador são maiores para o R1233zd-E o que resulta também em uma maior eficiência do ciclo ORC. 17 Na busca por obter um ciclo ORC otimizado tanto em termos termodinâmicos como ambientais Hajabdollahi et al. (2013) utilizaram um ciclo orgânico de Rankine com fonte térmica provinda de calor residual de motores a diesel. Em sua pesquisa os autores utilizaram como parâmetros de projeto a capacidade nominal do motor diesel, a pressão no evaporador e condensador, potência de saída fixa e a vazão mássica do fluido orgânico. Foram utilizados quatro fluidos orgânicos, sendo eles o R123, o R134a, R245fa e o R22. Após aplicação de um algoritmo genético (NSGA-II, algoritmo genético de classificação não-dominada) para otimizar a eficiência térmica e minimizar o custo de investimento para montagem do sistema, verificou-se que o fluido R123 obteve o melhor resultado em termos ambientais e termodinâmicos, seguido pelo R245fa, R134a e R22 nesta ordem. Entretanto o R123 possui o maior custo de investimento inicial, mas menores custos ambientais e de combustível. Com os crescentes esforços para reduzir a poluição ambiental em nível global, a busca por altas eficiências térmicas e energéticas passaram a não serem as únicas protagonistas de estudos para melhorar os processos de geração de eletricidade. Estudos sobre a composição e obtenção dos materiais para realização de diversos processos, assim como as matérias primas necessária para manter o sistema funcionando passaram também a serem estudados a fim de se obter maior sustentabilidade nas intervenções humanas no meio ambiente. Desse modo, estudar a composição dos fluidos orgânicos se tornou importante e alguns autores pontuaram os impactos da utilização de alguns fluidos. Banks et al. (1998) realizaram uma análise para a fabricação do fluido R227ea em termos de aquecimento global e verificaram que os produtos químicos liberados durante a fabricação do R227ea impactam significativamente o ambiente onde são liberados. Este estudo mostrou que uma análise do ciclo de vida é necessária para calcular os diferentes impactos ambientais causados na fabricação dos insumos necessários para os sistemas de geração de potência. A análise do ciclo de vida (LCA - Life Cycle Assessment) nada mais é do que uma ferramenta de auxílio para avaliar todas as etapas de um determinado sistema, produto ou serviço, ou seja, é a contabilização de todos os processos e recursos utilizados desde a extração dos recursos do meio ambiente para produção até a destinação final de um sistema, produto ou serviço. Para realizar a montagem de uma análise de ciclo de vida é necessário isolar o sistema que se quer estudar e contabilizar os seguintes recursos: Os recursos que entram no sistema para sua fabricação, os recursos utilizados para manter o sistema operante e por fim o produto ou serviço que 18 resulta do sistema. A partir deste tipo de análise é possível verificar o impacto ambiental de certos processos e buscar matérias-primas mais sustentáveis. Com essa premissa, Gerbinet, Belboom e Léonard (2014) realizaram uma revisão da aplicação da análise de ciclo de vida para painéis fotovoltaicos com indicadores baseados em tempo de retorno de energia (EPBT – Energy Payback Time) e emissão de CO2. No desenvolvimento de seu estudo, os autores apresentaram os conceitos básicos da análise do ciclo de vida, segundo a ISSO 14040 e 14044, retratando suas quatro fases interdependentes. Na primeira, a fase de definição do escopo e do objetivo, é determinado o volume de controle e as unidades básicas dos componentes a serem analisadas (massa, energia, valor monetário entre outros). Já a segunda fase corresponde ao inventário do ciclo de vida, nesta fase o ciclo de vida é subdivido em elementos e esses elementos são contabilizados em termos de massa e energia. A terceira fase corresponde a avaliação de impactos, ou seja, cada impacto ambiental é contabilizado de acordo com inventário do ciclo de vida. Por último, a interpretação de resultados através de um índice de resultado que deve ser utilizado de acordo com a base de comparação escolhida, como por exemplo, pegada de carbono. Bicer et al. (2016) apuraram quatro diferentes métodos para produção de amônia através da análise do ciclo de vida. Os autores utilizaram diferentes fontes de energia para sua análise sendo elas, hidrelétrica, nuclear, biomassa e incineração de resíduos municipais, a fim de verificar os diferentes níveis de impacto ambiental nas categorias de potencial de aquecimento global, toxicidade humana e depleção abiótica, associado a cada uma das diferentes fontes de energia e métodos de produção. Os autores averiguaram em suas simulações que os processos de produção que utilizaram energia provinda de incineração de resíduos urbanos e hidrelétrica possuem um impacto ambiental menor em relação as outras fontes apresentadas. Os métodos mais eficientes em termos energéticas foram obtidos através da utilização de energia hidrelétrica, nuclear, de biomassa e incineração de resíduos municipais respectivamente. Os métodos mais eficientes em termos de exergia seguiram a mesma ordem, entretanto as menores emissões de CO2 por quilograma produzido foram obtidas por incineração de resíduos municipais, hidrelétrica, nuclear e de biomassa respectivamente. A partir desses dados concluiu-se que das fontes estudadas, a produção de amônia realizada através de energia hidrelétrica possui o menor impacto ambiental e que, quanto mais renovável for a fonte de energia menor será a pegada ambiental do processo, sendo então necessário substituir 19 as fontes de energia provindas da queima de combustíveis fósseis devido ao fato de não serem renováveis. Análogo a este tipo de análise ambiental, estudos voltados não apenas para a análise do ciclo de vida de componentes do ciclo ORC como o fluido orgânico de trabalho, mas do sistema de geração de potência em sua totalidade passaram a ser verificados a fim de se viabilizar ambientalmente projetos para plantas de usinas de energia. Seguindo esta vertente, Heberle, Schifflechner e Brüggemann (2016) investigaram o ciclo de vida para um sistema ORC com fonte térmica provinda de energia geotérmica utilizada em usinas binárias. Para montagem do ciclo ORC os autores utilizaram um sistema subcrítico e supercrítico de um e dois estágios, considerando na análise de ciclo de vida as perdas do fluido de trabalho e o impacto ambiental associado a cada um dos tipos de ciclo. Buscando melhorar ainda mais a viabilidade ambiental, foram comparados os resultados entre fluidos fluorados e fluidos com baixo GWP analisando a substituição do R245fa e R134a pelos fluidos R1233zd, R1234yf e outros hidrocarbonetos naturais. Aplicando a análise termodinâmica através da segunda lei os autores observaram que nos casos em que foram utilizadas fontes de calor de baixa temperatura, a eficiência pela segunda lei diminuiu em 2% e o impacto ambiental em 78% ao utilizar o R1233zd como substituto ao R245fa, no caso do ciclo supercrítico o R1234yf obteve um aumento de 37% na eficiência calculada pela segunda lei e menores emissões de CO2. Na condição de maiores temperaturas provinda da fonte de calor foi observado um aumento de 7% na eficiência térmica utilizando um ciclo com dois estágios, para o ciclo de um estágio o R1233zd também foi superior ao R245fa obtendo 2% a mais de eficiência exergética e uma redução de emissão de CO2 na taxa de 78 gCO2/kWh para 13 gCO2/kWh, sendo possível observar que todos os fluidos com baixo GWP abordados neste estudo se apresentaram bons substitutos ao R245fa pelo menor impacto no aquecimento global e eficiência térmica calculado pela segunda lei próximos aos do fluido fluorado. Neste seguimento de abordagem Ding et al. (2018), através de um modelo exergoambiental, verificaram a sustentabilidade de um sistema ORC reversível contendo apenas quatro componentes (evaporador, condensador, turbina de um estágio e bomba). Os autores consideraram a perda de fluido de trabalho na sua análise de ciclo de vida e somado a isso o impacto ambiental foi medido de acordo com a destruição energética dos componentes do ciclo, considerando que eles foram fabricados de materiais como aço e cobre e avaliando o mesmo ciclo para diferentes fluidos de 20 trabalho, sendo eles: R134a, R227ea, R152a e R245fa. Foram obtidos os seguintes resultados referentes ao “impacto ambiental” devido a utilização do ciclo ORC com os diferentes fluidos de trabalho, sendo 13,76% para o R134a, 26,04% para o R227ea, 2,62% para o R152a e 14,77% para o R245fa. Quanto ao impacto ambiental causado pelo vazamento de fluidos, foram obtidos os seguintes resultados: 67,52% para o R134a, 75,62% para o R227ea, 35,71% para o R152a e 68,34% para o R245fa. Considerando tanto o impacto causado pelo fluido como para o sistema ORC que o acompanha, o fluido R245fa apresentou o menor impacto ambiental tanto utilizando o aço quanto o cobre, de modo que o fluido R227ea obteve o maior impacto ambiental. Foi observado também que o cobre contido no sistema não exibiu grande influência no resultado final atrelado ao impacto ambiental, já o aço possui alta significância devido ao fato de ser matéria prima de grande parcela dos componentes. Como alternativa para reduzir os impactos ambientais atrelados a utilização de um ciclo ORC, os autores sugeriram a utilização de um condensador fabricado com materiais mais ecológicos, assim como melhorar os equipamentos que realizam a transferência de calor de modo a compacta-los e utilizar menor quantidade de material em sua fabricação. Uma das vertentes de análise do ciclo de vida de um componente, produto ou sistema é a análise emergética. Neste tipo de análise, além de serem verificados os impactos ambientais devido às entradas e saídas dos componentes de um determinado sistema ou produto, como é realizado na análise do ciclo de vida (LCA), este impacto é medido em termos emergéticos. Emergia nada mais é do que o histórico energético de um determinado sistema ou produto, ou seja, todo o recurso energético extraído do meio ambiente para se produzir algo mensurado em termos de energia solar (emjoule), isto é, a quantidade de energia solar equivalente para se gerar o produto ou serviço em estudo. Liang et al. (2016) apresentaram os conceitos de emergia para verificar a sustentabilidade da produção de hidrogênio a partir da biomassa. Segundo os autores, para realizar a análise emergética é preciso dividir todos os materiais utilizados na fabricação dos equipamentos e componentes de um sistema ou produto nos seguintes índices de categorias emergéticas: Recursos ambientais renováveis R [J], Recursos ambientais não renováveis N [J], Insumos adquiridos renováveis rF [J], Insumos adquiridos não renováveis nF [J] e Produto P [J]. A combinação desses índices fornecem outros índices (índices emergéticos derivados) que são utilizados para medir o impacto ambiental a partir de diversas perspectivas, sendo eles: Rendimento Y [sej] que 21 representa a emergia total requerida por um determinado serviço ou produto, Taxa de rendimento emergético EYR [adimensional] que mede a capacidade do sistema de explorar recursos locais e torna-lo disponível para investir em recursos externos, Transformada rT [sej/J] que representa o consumo emergético por unidade, Taxa de carregamento ambiental ELR [adimensional] que mede o carregamento ambiental do sistema, Taxa de investimento ambiental EIR [adimensional] que mede o nível emergético de investimento e o Índice emergético de sustentabilidade EIS [adimensional] que mede a sustentabilidade de um produto, processo ou serviço. O índice emergético de sustentabilidade é dividido em três categorias: Se o índice emergético for menor do que um o processo é considerado sustentável por um curto período; Se o índice emergético de sustentabilidade estiver entre um e cinco, o sistema é considerado sustentável por um médio período; Se o índice for maior do que cinco é considerado sustentável por um longo período. A partir disso, Brown, Raugei e Ulgiati (2012) estudaram a análise do ciclo de vida e emergia tanto para a geração de energia elétrica a partir de um ciclo termodinâmico como para geração de eletricidade a partir de células fotovoltaicas, com o intuito de verificar o desempenho ambiental de ambos os processos. Primeiramente os autores utilizaram o conceito de análise de ciclo de vida para mapear todas as fases do sistema e os componentes de suas respectivas fases a serem contabilizadas em sua análise, tanto para geração térmica quanto fotovoltaica. Após a análise do ciclo de vida e utilizando o índice “Taxa de Rendimento Emergético” os autores compararam os resultados obtidos para um período de 30 anos, sendo eles: Para uma usina elétrica proveniente da queima de óleo como combustível para o ciclo térmico, em termos emergéticos, a eletricidade gerada foi de 55,69 10 sej/J considerando o trabalho humano envolvido no processo, sem o trabalho humano o resultado emergético relacionado a produção de energia elétrica foi de 55,11 10 sej/J ; Em contrapartida, utilizando as células fotovoltaicas o resultado emergético foi de 51,45 10 sej/J considerando o trabalho humano envolvido no processo e 47,93 10 sej/J desconsiderando o trabalho humano; Já aplicando a taxa de rendimento emergético os resultados foram de 6,8 para o sistema térmico e 2,2 para o sistema fotovoltaico. Com esses resultados obtidos pelos autores foi constatado que a taxa de rendimento emergético para o ciclo térmico foi maior, mostrando que em termos de investimento ele é mais vantajoso em relação ao sistema fotovoltaico, que atualmente é caro para se 22 fabricar. Já em termos emergéticos, em nível de carregamento ambiental apresentado pelo resultado emergético do sistema em si, os valores obtidos para o sistema fotovoltaico são menores, mostrando que seu impacto ambiental é menor. Isso ocorre devido ao fato de que o sistema fotovoltaico depende apenas da luz solar (fonte renovável) para gerar eletricidade após a fabricação da planta de energia, enquanto o sistema térmico utiliza óleo (fonte não renovável) para geração de eletricidade. Merlin e Boileau (2017) utilizaram a análise emergética para determinar a sustentabilidade de duas pequenas plantas de biogás para um longo período, a fim de melhorar a eficiência do sistema e diminuir o impacto ambiental atrelado as planta de biogás. Para este estudo, dois diferentes sistemas de biogás foram utilizados sendo eles um digestor proveniente de efluentes de laticínios e outro um sistema de cogeração de fonte agrícola com potência nominal de 45 kWe. Primeiramente os autores realizaram a análise energética para depois aplicar a análise emergética, contabilizando todos os insumos e trabalho humano utilizados em ambos os processos. Foi constatado que, a eco eficiência dos processos foram baixas devido a baixa produção de biogás e alto consumo de hidróxido de sódio, enquanto os índices emergéticos para o digestor proveniente de resíduos do laticínio foram melhores em comparação com o sistema de cogeração agrícola, sendo então mais eco eficiente. Foi observado também que a entropia diminui com o aumento da eficiência e sustentabilidade dos processos. Utilizando um ciclo termodinâmico com cogeração baseado em gás e turbina para um sistema de 20 anos operando 7.446 horas por ano, Aghbashlo e Rosen (2018) utilizaram a análise exergética e emergética para verificar a sustentabilidade do sistema para longos períodos concatenando os dados energéticos, financeiros e ecológicos para descrever seu sistema. Para tal análise, os autores definiram alguns passos a serem seguidos a fim de se obter resultados emergéticos em termos econômicos e ambientais, sendo eles de forma resumida: 1° - Determinação do volume de controle do sistema a ser analisado; 2º - Determinação das propriedades termodinâmicas; 3º - Cálculo dos fluxos de exergia e energia; 4º - Cálculo da eficiência exergética e da decomposição exergética; 5º - Obtenção dos dados emergéticos em termos econômicos e ambientais; 6º - Determinação da quantidade de material utilizado na fabricação do sistema; 7° - Cálculo da emergia relacionada aos termos monetários e ecológicos; 8º - Contabilização dos dados emergéticos; 9º - Avaliação dos resultados obtidos. O intuito dos autores não foi obter um dado emergético específico para classificar o sistema de estudo, mas sim variar os parâmetros do seu sistema a fim de verificar como os passos descritos 23 anteriormente afetam a análise emergética. Pelos resultados experimentais obtidos pelos autores, a análise emergética pode ser utilizada como ferramenta adicional para avaliar a sustentabilidade de um sistema e a análise exergética também pode ser utilizada como método adicional para contribuir com a união dos aspectos termodinâmicos, financeiros e ecológicos do sistema. Como ferramenta adicional à análise termodinâmica, Yang et al. (2011) estudaram a emergia relacionada a utilização de mandioca como matéria prima para a produção de etanol (CFE) em substituição aos derivados de petróleo. Após realizar a análise termodinâmica e a análise de ciclo de vida, os autores realizaram a contabilização emergética a partir da transformada de modo que, foi obtido um índice emergético de sustentabilidade igual a 0,42. Foi observado ao analisar os elementos constituintes do combustível que, os insumos não renováveis representam 71% de todos os constituintes do combustível, fator este que torna o sistema menos sustentável em relação aos sistemas que possuem maior parcela de componentes atrelados a fontes renováveis. A transformada do (CFE) foi menor que do biodiesel e etanol provindos de milho e trigo, entretanto maior que os combustíveis derivados de petróleo. Já o índice emergético de sustentabilidade obtido para o (CFE) foi de 0,42, enquanto para o etanol de trigo foi de 0,31 e de milho 0,15, sendo então o (CFE) mais sustentável em termos emergéticos. Na última década a análise emergética aplicada a ciclos termodinâmicos passou a ser realizada com mais frequência, fato este que ocorreu devido aos grandes esforços mundiais destinados a redução do impacto ambiental causado pelas intervenções humanas. Sabendo que não é possível deixar de realizar certas atividades econômicas como por exemplo, passar a utilizar energia elétrica produzida apenas por fontes renováveis como solar e dos ventos, certas práticas ainda se manterão por muito tempo até que toda cadeia produtiva seja substituída por fontes e processos 100% renováveis, novas alternativas precisam ser estudadas e comparadas com as atuais e é neste ponto que análise emergética é introduzida. Sha e Hurme (2012) examinaram a emergia de processos de biomassa e cogeração combinando calor e energia baseados em carvão. Como parte da análise emergética, foi realizada a contabilização de todos os recursos necessários para operação do sistema (combustível, investimento, trabalho entre outros) em termos solar, a fim de analisar por um volume de controle em termos de biosfera o quanto de energia foi retirada do meio ambiente para fornecer energia elétrica como produto do processo estudado. Comparando os processos de biomassa e cogeração por 24 carvão os autores verificaram que, em termos emergéticos o processo a base de biomassa é 3,3 vezes mais eficiente do que o processo com carvão de modo que, utilizando biomassa como fonte de calor o meio ambiente é 77% menos explorado em comparação com a utilização do carvão. Foi possível verificar também que o índice de sustentabilidade para a geração por biomassa é 15 vezes maior em relação ao sistema de cogeração de carvão. Em termos de componentes emergéticos, o combustível, o transporte e oxigênio utilizado na reação química da queima representam 80% da emergia no processo de geração por biomassa, enquanto os mesmos componentes do processo de cogeração por carvão representam 90% da emergia do sistema. Com o intuito de verificar a sustentabilidade ambiental de um ciclo básico de Rankine, Zhang et al. (2018) aplicaram a análise emergética para um sistema ORC com fonte de calor provinda de calor residual da queima de carvão. Utilizando o fluido R134a como fluido de trabalho e um ciclo contendo um evaporador, um condensador, uma bomba e uma turbina, os autores verificaram a sustentabilidade do sistema em termos emergéticos a partir de três passos. De início foi realizada a análise termodinâmica com o intuito de se obter o comportamento térmico do ciclo e assim poder dimensionar os seus componentes, para então obter suas respectivas massas. Após isso, foi realizada a análise do ciclo de vida do sistema com o intuito de aplicar um volume de controle para determinar quais foram os tipos de recursos utilizados ao longo da vida útil da planta de geração de energia, para isso o sistema foi separado em três fases, sendo elas: Primeiro a fase de construção, onde foram contabilizados todos os recursos necessários para a fabricação dos componentes do ciclo; Segundo a fase de operação, onde foram contabilizados os recursos necessários para manter a usina de geração de energia em funcionamento por um período de 20 anos em regime de trabalho de 7.000 horas por ano; E terceiro a fase de desativação, onde foram contabilizados os recursos necessários para destinar os componentes da usina para seus respectivos descartes. Por fim, sabendo a quantidade de cada elemento que compõe os equipamentos e fluido utilizados no ciclo, aplicando as definições de transformada e emergia, foram obtidos os dados emergéticos para cada componente e fase do ciclo para que, utilizando os índices emergéticos, fosse possível obter a análise ambiental a partir da emergia. Com este procedimento os autores obtiveram que, para o ciclo básico ORC operando com fluido R134a a taxa de rendimento emergético [ EYR ] foi de 197,52 e o índice emergético de sustentabilidade [ EIS ] foi de 3,97. Estes resultados foram comparados com os índices emergéticos de outras seis fontes de energia diferentes, 25 sendo observado que o índice emergético de sustentabilidade para o ciclo ORC é menor em comparação com geração proveniente de fontes renováveis, entretanto foi maior em comparação a geração proveniente da queima de combustíveis fósseis, sendo então uma alternativa a essas fontes não renováveis. O índice emergético obtido ficou dentro da faixa de um a cinco, classificando o sistema como sustentável por um médio período. Foi observado também que, a emergia relacionada com o fluido de trabalho ficou na faixa dos 13% da emergia do total do sistema, revelando que o fluido de trabalho não deve ser ignorado devido a sua relevância na emergia total do sistema. A partir desta linha de desenvolvimento, os estudos relatados neste capítulo apresentam a importância de não apenas buscar modelos de sistemas, serviços ou produtos mais eficientes em termos energéticos, mas também de se obter sistemas, serviços ou produtos mais sustentáveis em termos ambientais. A análise emergética se apresenta como um tipo de análise termodinâmica que pode ser somada as análises tradicionais de eficiência energética, pois através dela, com o auxílio da análise do ciclo de vida, é possível investigar um a um os componentes de um determinado sistema e mensurar toda a emergia utilizada desde a fabricação até o descarte dos mesmos (histórico energético), contabilizando assim o impacto de sua utilização em termos de ecossistema e biosfera assim como em termos monetários buscando uma maior viabilidade de sua utilização. Com o resultado desse tipo de análise, é possível verificar a necessidade de substituição de certos recursos provindos de fontes menos renováveis por recursos mais renováveis e assim, melhorar a sustentabilidade do sistema, serviço ou produto. Advindo destas relações, este estudo tem como objetivo realizar novos estudos para verificar a sustentabilidade de diferentes ciclos orgânicos de Rankine utilizando diferentes fluidos de trabalho para que, a partir da a