A essência da integração entre o sistema de gaseificação de biomassa e uma planta de ciclo combinado ocorre na utilização do gás derivado da biomassa de baixo poder calorífico, produzido no sistema de gaseificação pela turbina a gás. Embora não haja turbinas a gás projetadas especificamente para gás derivado da biomassa comercialmente disponível, turbinas projetadas para outros combustíveis podem e são utilizadas com gás derivado da biomassa (LARSON; WILLIAMS, 1996, p. 153).
No entanto, quando se utiliza gás derivado de biomassa com baixo poder calorífico em turbinas originalmente projetadas para combustíveis como o gás natural (poder calorífico mais elevado), é necessário aumentar o fluxo de massa do gás e consequentemente a razão de compressão no compressor para manter a temperatura de combustão e o fluxo de calor inalterados em relação as condições originais da turbina. A elevação da razão de compressão aumenta o risco de surging conforme visto em 5.1.4, tornando necessário medidas de controle para evitar este fenômeno (FAAIJ et al., 2007, p. 1290).
O aumento da taxa de compressão ainda acarreta maiores perdas de pressão devido ao incremento de volume de gás injetado nos bocais da turbina, os quais foram projetos para um gás de maior poder calorífico (FAAIJ et al., 2003a).
A fim de reduzir o risco da ocorrência de surging, algumas estratégias de controle podem ser aplicadas ao sistema. A prática mais simples para reduzir o risco de surging, quando se utiliza gás derivado da biomassa, é conhecida com de-rating, além desta, pode-se destacar outras duas: redução do fluxo de ar para o compressor através do fechamento das IGV (inlet guide vane) e extração de ar na descarga do compressor (compressor blast-off) (LAGOSTERA, WALTER, 2007, p. 2889).
A estratégia que provavelmente será utilizada a curto prazo para controle do risco de surging é a estratégia mais simples. A estratégia de de-rating consiste em impor uma redução da temperatura de combustão na turbina, reduzindo a razão de compressão do compressor” (RODRIGUES, FAAIJ, WALTER, 2003a, p. 1116). O ponto negativo da prática de de-rating é a redução da performance do sistema e sua eficiência a qual pode ficar em torno de 70% da eficiência nominal da turbina quando utiliza gás natural.
Além de estratégias de controle aplicada para utilização de gás de baixo poder calorífico nas turbinas a gás, ainda pode ser necessário modificações físicas nesta, como a substituição dos bocais da turbina e eventualmente a câmara de combustão que inevitavelmente elevarão o custo do sistema. Estima-se que o custo das modificações necessárias nas turbinas varie de 5 a 20% (RODRIGUES et al., 2003a).
Uma outra forma de contornar os problemas acima descritos é a co-combustão do gás derivado da biomassa em conjunto com o gás natural, neste caso, é possível que não haja necessidade de nenhuma modificação da turbina a gás que foi projetada inicialmente para gás natural. A co-combustão é o uso simultâneo de diferentes combustíveis em um mesmo equipamento (EPRI; USDOE, 1997).
Imaginando-se a proporção de gás natural em uma mistura de gás natural e gás derivado da biomassa, a necessidade de de-rating será tanto menor quanto maior for a proporção de gás natural nesta mistura. Segundo simulações realizadas por Faaij et al. (2003a) quando a proporção de gás natural nas turbinas aeroderivativas alcança algo em torno de 10% em base
mássica ou 54,2% em base energética, não é mais necessário de-rating. Segundo os mesmos autores, nas turbinas industriais (heavy duty), o uso de de-rating não é necessário quando a proporção de gás natural alcança aproximadamente 6% em base mássica ou 37% em base energética. O gráfico 17 ilustra a relação entre a eficiência do ciclo e a proporção de gás natural na mistura (rNG) para as turbinas aeroderivativas e turbinas industriais (FAAIJ et al.,
2003a, p. 1126). As curvas dos gráfico 17 podem ser encontradas através da equação 15.
ƞ(r)de-rated GTs = (36,06 + 753,55·r) / (1 + 16,34 . r + 0,42·r2) (15)
Gráfico 17 – Variação de eficiência em função da proporção de gás natural
Fonte: Faaij et al., 2003b.
Como mencionado anteriormente, outro ponto negativo da prática de de-rating é a redução da performance do sistema, ou seja, da potência útil produzida, a qual pode ser reduzida. Da mesma forma que a eficiência do sistema aumenta quando se utiliza uma mistura de gás derivado da biomassa e gás natural, a performance do sistema também aumenta.
Entretanto, a mistura de gás natural e gás derivado da biomassa pode produzir uma potência útil ainda maior, quando a proporção de gás natural na mistura é tal que o uso de de-rating
não é mais necessário, ou seja, o controle de surging não é mais necessário. A partir deste ponto o aumento da proporção de gás natural irá ocasionar uma redução da potência útil.
O gráfico 18 (turbina aeroderivativa) e o gráfico 19 (turbinas industriais de grande porte) ilustram em base energética como a potência útil disponível no ciclo, potência produzida na turbina a gás, potência produzida no ciclo a vapor e o consumo do compressor do gás derivado da biomassa são afetados pela variação da proporção de gás natural na mistura. Estes gráficos são resultados de simulações realizadas por Faaij et al. (2003a).
Gráfico 18 – Efeito da proporção de gás natural, na mistura do gás, na produção de potência (turbina aeroderivada)
Gráfico 19 – Efeito da proporção de gás natural, na mistura do gás, na produção de potência (turbina industrial)
Fonte: Faaij et al., 2003a.
O aumento da potência útil disponível pelo ciclo justifica-se pelo fato do aumento do fluxo de massa devido ao baixo poder calorífico do gás derivado da biomassa. Como pode ser visto a potência produzida no ciclo a vapor também é afetada, pois, na zona em que é necessário de-
rating, a temperatura dos gases de exaustão são inferiores à temperatura nominal da turbina a
gás.
A potência total disponível, turbinas aeroderivativas, no ciclo pode ser até 30% superior à potência nominal que seria disponibilizada na utilização de 100% de gás natural. Para as turbinas industriais de grande porte a potência pode ser até 15% superior às condições nominais e utilização de apenas gás natural (FAAIJ et al., 2003a, p. 1128).
A possibilidade de se ter uma turbina projetada especificamente para as condições do gás derivado da biomassa ainda deve ser vista como uma opção a longo prazo que dependerá do desenvolvimento da tecnologia de BIG/CC e, conseqüentemente, da demanda criada por este mercado. Como este mercado ainda não existe, projetar uma turbina a gás não é um opção real a curto prazo devido a seu alto preço (FAAIJ et al., 2003a, p. 1128).