O Instituto de Aeronáutica e Espaço (IAE) do Departamento de Ciência e Tecnologia da Aeroespacial (DCTA) realizou diversos trabalhos visando à utilização de combustíveis alternativos em motores a pistão, tanto de ciclo OTTO como de ciclo Diesel, e em Turbinas a gás. O DCTA foi um dos responsáveis pelo sucesso técnico do PROÁLCOOL, do Programa de Óleos Vegetais, do Prodiesel e do Prosene, dentre outros trabalhos de visão estratégica nas áreas de mecânica, propulsão e energia. Muitos destes trabalhos, embora tenham atingido seus objetivos iniciais, foram interrompidos devido ao desinteresse gerado, em primeiro momento pela queda de preços dos combustíveis fósseis, e em segundo, e em alguns casos, pelos altos custos da matéria-prima e/ou do processo de obtenção do combustível que estavam ainda em cadência de estudos e desenvolvimento. Não houve preocupação, à época, nem com o registro nem com a divulgação dos resultados das pesquisas. Os documentos originais (relatórios parciais e finais) foram enviados aos órgãos de gestão e/ou de financiamento de pesquisas, ficando apenas as cópias destes documentos no DCTA, que não foram guardadas adequadamente e, por isso, acabaram sendo perdidas ao longo do tempo. Para a realização deste trabalho foi necessária a recuperação das informações a partir de anotações, que restaram, dos principais projetos e instalações de ensaios usados no DCTA, pelo "Grupo de Turbinas", tais como o álcool em substituição ao querosene Jet A-1 e ao Diesel D2, e o prosene em substituição ao querosene Jet A-1. A análise dos resultados de ensaios em banco de prova com as turbinas a gás utilizando os combustíveis alternativos confirmaram não ter havido necessidade de mudanças significativas da máquina, exceto pela troca e ajustes de alguns componentes dos sistemas de combustível e de controle. Foi comprovado, através da análise de desempenho, que o aumento do consumo específico de combustível reflete a diminuição de seu poder calorífico. Verificou-se também que é possível obter uma maior potência do eixo na condição de temperatura máxima dos gases de escape de uma mesma turbina a gás, quando o álcool etílico é utilizado em substituição ao óleo diesel e ao querosene. O mesmo acontece com o combustível prosene podendo-se obter uma maior potência do eixo ou maior empuxo na condição de temperatura máxima dos gases de escape quando se utiliza este combustível em lugar do querosene. Foram também testados diversos graus de hidratação do álcool etílico em turbina a gás, que operou estavelmente com álcool hidratado com 40% de água.

Estágio realizado na empresa Technická univerzita V Liberec e orientado pelo prof. Doutor Michael Vojtisek-Lom / Tese de mestrado integrado. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2010

Flexibilidade de combustível e segurança de fornecimento energético são dois parâmetros fundamentais no âmbito da indústria de energia. Nesse contexto, insere-se a turbina a gás flex, que opere com combustíveis gasosos ou líquidos. A diversidade de fontes energéticas do país é uma vantagem estratégica que pode ser utilizada com muito sucesso. O seguinte trabalho tem como objetivo central contribuir para essa abertura, onde almeja-se o consumo de combustíveis alternativos locais, como os provindos da biomassa assim como os mais amplamente produzidos e distribuídos como é o caso do gás natural. O projeto de injetores do tipo bicombustível permite que esses sistemas possam ser pensados. Para a realização desse trabalho foram usadas 4 metodologias de projeto preliminar, as para injetores centrífugo tangencial para líquido, injetor centrífugo tangencial para gás, injetor plano para líquido e injetor plano para gás. Os parâmetros de uma família de 8 turbinas a gás com potências variando entre 5,25 e 47 MW foi usada para dimensionamento preliminar. Também foram usadas como variantes de projeto, 6 opções de combustível: etanol, metanol e diesel além de metano e dimetil-eter e GLP.Para o projeto de injetores do tipo bicombustível, combinações e modificações dos projetos convencionais foram realizadas, dependendo da necessidade de cada caso em particular. Assim, foram também analisados os injetores dos tipos gás-assistido com mistura externa, centrífugo de orifício duplo e airblast de mistura interna.

Devido à escassez de recursos naturais não renováveis, como petróleo e gás natural, a utilização de biocombustíveis torna-se cada vez mais necessária. Um dos principais processos de obtenção deste tipo de recurso renovável é a gasificação da biomassa. O processo de gasificação objetiva-se principalmente à produção do gás de síntese (mistura de CO, CH4 e H2). Uma das etapas do processo de gasificação que ocorrem no gasificador é a pirólise da biomassa, sendo esta etapa, responsável pela produção de uma mistura de espécies orgânica denominada alcatrão (contaminante do gás produzido no gasificador). Para que seja removido o alcatrão produzido no gasificador são adicionados, junto à saída do mesmo, complexos sistemas de limpeza do gás produzido no gasificador. Um modo alternativo de destruir estas espécies orgânicas produzidas no gasificador é a utilização de fontes de plasma. Este projeto tem por finalidade a utilização e avaliação, qualitativa e quantitativa, de um sistema de geração de tocha de plasma micro-ondas na destruição do alcatrão. Tal processo de destruição tem por finalidade, a diminuição ou a eliminação de processos onerosos de limpeza do gás formado no gasificador, os quais geram efluentes e diminuem o poder calorífico do gás produzido no gasificador. Para alcançar tal objetivo foi desenvolvido, no laboratório de plasmas e processos (LPP) do Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA), um experimento utilizando um reator a plasma micro-ondas (sistema gerador de tocha de plasma micro-ondas), capaz de operar em pressão atmosférica e com diferentes tipos e vazões de gases. O sistema a plasma micro-ondas utilizado operou a pressões atmosféricas utilizando, como gases de alimentação uma mistura de: nitrogênio, argônio e solução de alcatrão. Objetivando a diminuição da viscosidade do alcatrão, o mesmo foi diluído em etanol comercial (92,8% de etanol e 7,2% de água) formando a solução de alcatrão. Vazões conhecidas e controladas de solução de alcatrão foram tratadas com a tocha de plasma micro-ondas. Os gases de exaustão do reator a plasma micro-ondas foram avaliados. Como resultado, não foi encontrada a presença de alcatrão nos gases de exaustão do reator, indicando que todo alcatrão foi destruído e reformado pela tocha de plasma micro-ondas. A destruição e reforma de alcatrão obteve como produtos principais; CO, carbono sólido e possivelmente H2. Ou seja, o Alcatrão (espécie indesejada), em concentrações de até 4,145 g/Nm, é convertido através da ação das micro-ondas existentes na tocha de plasma micro-ondas principalmente em CO e H2 (produtos almejados pelas indústrias do segmento energético). Nesta tese é concluída que o reator a plasma micro-ondas é capaz de destruir e reformar o alcatrão de forma eficiente.

Gas turbines are generally designed to operate with a specific fuel type. Power plants usually use gas turbine models which operate with natural gas, but there is the possibility of using other kinds of gaseous fuels. In some instances, a fuel of a different calorific value may be available near the power plant site, making the use of the fuel of interest to the plant owner. These fuels can be gases obtained from steel (from blast furnaces and coking plants), from gasification processes of coal or biomass, among others. In this work, a performance analysis on a gas turbine, which was originally designed to run on natural gas, was carried out after changing to lower calorific value fuels. For the purpose of this study, a well known gas turbine performance calculation program was used named GasTurb11. A gas turbine model was created and calculated at design point. This model was defined as the reference gas turbine. Off-design performance studies were done to adjust the reference gas turbine with data from the chosen gas turbine. A good agreement was obtained between the results of the model operating with natural gas at off-design point and the data available from literature for the reference gas turbine. After the validation process, further performance tests were conducted while changing the fuel calculation value. A reduction in the compressor';s surge margin was identified when using the fuels studied. Two strategies are adopted in order to study the effects of the surge margin: the first by extracting a portion of the air at the compressor exit in order to recover the surge margin, and the second strategy was to establish a fixed value for the surge margin. These control strategies proved to be technically feasible and ensured that the gas turbine operated safely at off-design point.

Modern combustion turbines have several applications: power stations, naval, aeronautical and oil industry. Aeronautical applications seek reduction of pollutant emissions using mixtures of conventional jet fuels with biofuels and synthetic fuels. Due to the restrictions of natural gas and other oil fuels supply for the generation of electricity, the use of alternative fuels in stationary gas turbines is being seriously considered. Generally, all liquid and gaseous fuels from biomass, syngas, biogas, refinery gas and other unconventional sources are considered as alternative fuels. In the last years, with the objective of making the industrial and aeronautical process in harmony with the current environmental laws around the world, much research on the use of these alternative fuels in gas turbines is in progress. Gas turbines are thermal machines with the great advantage of being capable of successfully burning a large variety of fuels in a continuous combustion process. Gas turbine combustion chambers with this ability are referred as fuel flexible gas turbine combustors. This thesis aims at describing a methodology for sizing fuel flexible gas turbine combustors and, additionally, analyzing the reacting flow in these designed combustion chambers. The design of the fuel flexible gas turbine combustors is based on the reaction mechanisms, reactor network and stability loops approach simultaneously with numerical methods as Newton-Raphson, LU factorization, splines and inverse Lagrange polynomials. A computational tool has been developed for the combustor sizing and reacting flow analysis. The zero and one-dimensional models are based on the methodology developed by Lefebvre, Melconian e Modak. The thermokinetic, flammability limits and reaction mechanisms models are based on the methodology developed by Gordon and McBride and other authors. The study of the combustion efficiency and stability loops for the studied fuels and their influence on the production of pollutant emissions under several operating conditions is presented. Useful information is generated at the design stage of a fuel flexible gas turbine combustion chamber, which may be used to alter the pollutant emissions at very early stage of the design.

Os altos preços dos combustíveis fósseis, aliado a sua escassez prevista para as próximas décadas, além da crescente demanda, tem levado o mundo a refletir e procurar por fontes alternativas de combustíveis. Desta forma surgem os biocombustíveis como possível substituição aos combustíveis fósseis. Os biocombustíveis são classificados de acordo com a sua origem. Os chamados combustíveis de primeira geração são oriundos de partes de vegetal, os de segunda geração são oriundos do vegetal como um todo, os de terceira geração são extraídos a partir das microalgas. Este último vem surgindo como um combustível promissor em função das microalgas, não depender de terras aráveis para sua criação e, portanto, não concorrem com os alimentos. Sabe-se, porém que as pesquisas destinadas a combustíveis de microalgas se encontram em diferentes fases de pesquisa dependendo do país em questão. Este trabalho teve por objetivo fornecer um panorama geral para o conhecimento sobre o processo produtivo de microalga visando à produção de biocombustíveis, descrever o modelo de projeto da União Europeia denominado ALL-GAS que se encontra em desenvolvimento, e analisar a possibilidade do mesmo ser replicada no Brasil. Após apresentação e análise do estudo de caso nota-se que assim como o projeto ALL-GAS, o Brasil possui projetos com elevados custos financeiros, e um grande número de parceiros disponíveis para a reaplicação do projeto apresentado no estudo de caso, no entanto será preciso realizar algumas adaptações como unir a empresa privada a instituições públicas para realização desses projetos. Além disso, seriam necessários investimentos financeiros de grande vulto por parte do Governo Federal destinados especificamente para a produção de combustíveis de terceira geração.

A crescente pressão mundial pelo desenvolvimento de tecnologias automotivas menos poluentes de emissões de combustíveis, incluindo o de combustiveis alternativos, foi a forma de impulsionar a tecnologia do Biodiesel, de origem não fóssil, derivados de fontes renováveis, visando substituir, gradualmente, o uso do óleo diesel, na matriz energética mundial. A diretiva americana “Clean air Act amendment of 1990", a Lei S-517 e a diretiva européia “2003/30/EC of the European Parliament and of the Council of 8 May 2003" instituíram a adição do Biodiesel no óleo diesel. Nos Estados Unidos, este teor é de 20%, e, na Europa, é obrigatória a adição de 2%, em 2005, e será de 5,75%, em 2010. Dentro deste contexto, o Biodiesel necessita ser implementado no Brasil, de maneira gradual. A Lei brasileira 11097/05 tornará obrigatória sua adição de 2% (Biodiesel B2), em 2008 (ou de cerca de 840 milhões de litros de Biodiesel, do montante estimado de demanda do óleo diesel, de 42 bilhões de litros, em 2008), e de 5% (Biodiesel B5), em 2013. O objetivo deste trabalho é o de se identificarem alguns gargalos existentes, no âmbito técnico-econômico, no Programa Brasileiro do Biodiesel, e o de se estabelecer um plano de ação para o sucesso da implementação deste programa. No plano de ação, estão traçados possíveis cenários, com dois focos distintos: o de receita líquida máxima ao governo, sendo esta uma visão parcial de custeio (através dos cenários de substituição de importações do óleo diesel pelo Biodiesel e da introdução de óleo diesel / Biodiesel em veículos leves), e o do número máximo de empregos gerados, em 2008 e em 2013. A metodologia de pesquisa se baseia em pesquisa bibliográfica e na análise de dados coletados, que apontam para a urgente necessidade de isenção de impostos e de subsídios governamentais, para se viabilizar a produção das oleaginosas da mamona e da soja, a preços competitivos em relação ao óleo diesel. Dentro deste contexto, a mamona só se torna viável no âmbito social e técnico-social, de geração máxima de empregos, ao passo que as demais podem ser inseridas no contexto econômico e técnico-econômico, de receita líquida máxima ao governo. / The increasing demand for the development of automotive technologies of less polluting fuel emissions, including that of alternative fuels, has been the way to foster Biodiesel technology, of non-fossil origin, derived from renewable sources, aiming at gradually substituting the use of diesel oil, in the worldwide energetic matrix. The american directive “Clean air Act amendment of 1990" , the Law S-517, and the European directive “2003/30/EC of the European Parliament of the Council of 8 May 2003" established the addition of Biodiesel in diesel oil. In the United States, this percentage is of 20%, and, in Europe, it is compulsory the addition of 2%, in 2005, and will be of 5,75%, in 2010. From that prospective, the Biodiesel needs to be gradually implemented in Brazil. The brazilian Law 11097/05 will demand the addition of 2% (Biodiesel B2), in 2008 (or about 840 millions of Biodiesel liters, of the estimated amount of diesel oil demand, of 42 billions of liters, in 2008), and of 5% (Biodiesel B5), in 2013. The objective of this project is to identify some existing shortfalls, on an technical-economic assessment, in the Brazilian Biodiesel Program, and to establish a workplan in order to achieve the success of this program. In this workplan, possible scenarios are identified, with two different focus: maximum government net revenue, on a partial cost prospective (via the scenarios of diesel oil importation replacement by Biodiesel and of diesel oil / Biodiesel intruction into light vehicles) and maximum jobs generation, in 2008 and in 2013. The research methodology is based on bibliographic survey and on data analysis, which shows the urgent need to viabilize castor and soybean oilseeds on competitive prices compared to that of diesel oil. From that prospective, castor is only viable on a social and technical-social aspect, of maximum employment generation, whereas the remaining oilseeds can be inserted into the economic and technical-economic context, of maximum governmental net income.

A crescente pressão mundial pelo desenvolvimento de tecnologias automotivas menos poluentes de emissões de combustíveis, incluindo o de combustiveis alternativos, foi a forma de impulsionar a tecnologia do Biodiesel, de origem não fóssil, derivados de fontes renováveis, visando substituir, gradualmente, o uso do óleo diesel, na matriz energética mundial. A diretiva americana “Clean air Act amendment of 1990”, a Lei S-517 e a diretiva européia “2003/30/EC of the European Parliament and of the Council of 8 May 2003” instituíram a adição do Biodiesel no óleo diesel. Nos Estados Unidos, este teor é de 20%, e, na Europa, é obrigatória a adição de 2%, em 2005, e será de 5,75%, em 2010. Dentro deste contexto, o Biodiesel necessita ser implementado no Brasil, de maneira gradual. A Lei brasileira 11097/05 tornará obrigatória sua adição de 2% (Biodiesel B2), em 2008 (ou de cerca de 840 milhões de litros de Biodiesel, do montante estimado de demanda do óleo diesel, de 42 bilhões de litros, em 2008), e de 5% (Biodiesel B5), em 2013. O objetivo deste trabalho é o de se identificarem alguns gargalos existentes, no âmbito técnico-econômico, no Programa Brasileiro do Biodiesel, e o de se estabelecer um plano de ação para o sucesso da implementação deste programa. No plano de ação, estão traçados possíveis cenários, com dois focos distintos: o de receita líquida máxima ao governo, sendo esta uma visão parcial de custeio (através dos cenários de substituição de importações do óleo diesel pelo Biodiesel e da introdução de óleo diesel / Biodiesel em veículos leves), e o do número máximo de empregos gerados, em 2008 e em 2013. A metodologia de pesquisa se baseia em pesquisa bibliográfica e na análise de dados coletados, que apontam para a urgente necessidade de isenção de impostos e de subsídios governamentais, para se viabilizar a produção das oleaginosas da mamona e da soja, a preços competitivos em relação ao óleo diesel. Dentro deste contexto, a mamona só se torna viável no âmbito social e técnico-social, de geração máxima de empregos, ao passo que as demais podem ser inseridas no contexto econômico e técnico-econômico, de receita líquida máxima ao governo. / The increasing demand for the development of automotive technologies of less polluting fuel emissions, including that of alternative fuels, has been the way to foster Biodiesel technology, of non-fossil origin, derived from renewable sources, aiming at gradually substituting the use of diesel oil, in the worldwide energetic matrix. The american directive “Clean air Act amendment of 1990” , the Law S-517, and the European directive “2003/30/EC of the European Parliament of the Council of 8 May 2003” established the addition of Biodiesel in diesel oil. In the United States, this percentage is of 20%, and, in Europe, it is compulsory the addition of 2%, in 2005, and will be of 5,75%, in 2010. From that prospective, the Biodiesel needs to be gradually implemented in Brazil. The brazilian Law 11097/05 will demand the addition of 2% (Biodiesel B2), in 2008 (or about 840 millions of Biodiesel liters, of the estimated amount of diesel oil demand, of 42 billions of liters, in 2008), and of 5% (Biodiesel B5), in 2013. The objective of this project is to identify some existing shortfalls, on an technical-economic assessment, in the Brazilian Biodiesel Program, and to establish a workplan in order to achieve the success of this program. In this workplan, possible scenarios are identified, with two different focus: maximum government net revenue, on a partial cost prospective (via the scenarios of diesel oil importation replacement by Biodiesel and of diesel oil / Biodiesel intruction into light vehicles) and maximum jobs generation, in 2008 and in 2013. The research methodology is based on bibliographic survey and on data analysis, which shows the urgent need to viabilize castor and soybean oilseeds on competitive prices compared to that of diesel oil. From that prospective, castor is only viable on a social and technical-social aspect, of maximum employment generation, whereas the remaining oilseeds can be inserted into the economic and technical-economic context, of maximum governmental net income.

Neste trabalho foi desenvolvido um modelo de programação linear inteira mista para localização das instalações da rede logística do biodiesel no Brasil, de forma a que se possa, com sua aplicação, avaliar o potencial de produção de oleaginosas no país, assim como identificar as zonas mais promissoras para a localização dos diversos elos da cadeia do biodiesel, a partir da demanda gerada pela mistura de um percentual de biodiesel ao diesel fóssil. O modelo incorpora quatro elos da cadeia produtiva (fase agrícola, extração de óleo, produção de biodiesel e pontos de demanda). Os parâmetros do modelo foram estimados com base em informações reais de mercado disponíveis (base de dezembro/2007). Obteve-se com a aplicação do modelo a diversos cenários, os municípios mais indicados para produção das oleaginosas, as oleaginosas utilizadas, o volume de produção em cada local e, por fim, a localização e porte das fábricas de óleo e das usinas de biodiesel. Análises de sensibilidade de alguns parâmetros foram executadas para verificação do comportamento do modelo face a incertezas. O trabalho incorpora sugestões e recomendações para aprimoramento do modelo. / In this research a mixed integer linear programming model was developed to locate facilities related to the biodiesel supply chain in Brazil, making possible to evaluate the oleaginous production potential, as well as the most promising regions to became the location of the several levels of the biodiesel chain, in accordance to the biodiesel future demand. The model incorporates four levels of the productive chain (agricultural phase, extraction of oil, biodiesel production and demand points). The model parameters were estimated based on market information available (base of december/2007). The application of the model to several sceneries led to the indication of the most promising regions for production of the oleaginous, the used oleaginous ones, the volume of production in each place and, finally, the location and scale of oil and biodiesel factories. Sensibility analyses were conducted to verify the results related to parameters uncertainty. The research contains suggestion and recommendations for improvement of the model.