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Caldeira de Biomassa

Como gerar calor com as caldeiras de biomassa (pellets, cavacos, lenha, etc.). Tipos, critérios de projetação, dimensionamento e benefícios.

A caldeira de biomassa é um gerador de calor que aproveita a energia produzida pela combustão de biomassas em contraste com a produzida por gás, gasóleo ou GPL.

Atualmente, devido às suas características, as caldeiras de biomassa representam uma alternativa sustentável válida entre as bombas de calor.

As condições essenciais para solicitar a instalação de uma caldeira de biomassa são:

  • um espaço adequado para destinar como sala técnica;
  • a possibilidade de instalar uma chaminé;
  • a disponibilidade de espaço para armazenar o combustível.

Para realizar o cálculo energético de um edifício servido por uma caldeira de biomassa de forma eficiente e em conformidade com as normas, você pode usar um software termotécnico que permite definir dados climáticos e pontes térmicos para então inserir o sistema de biomassa mais adequado às suas necessidades; o software realizará automaticamente todas as análises necessárias.

Vamos analisar em detalhes como funciona uma caldeira de biomassa, seus benefícios e os incentivos fiscais previstos.

O que é uma caldeira de biomassa?

Uma caldeira de biomassa é um gerador de calor que utiliza a energia das biomassas, ou seja, de materiais orgânicos de origem vegetal, para produzir calor por meio da combustão. Aquecer por meio de biomassas permite aproveitar uma fonte renovável por excelência, protegendo o ciclo natural do dióxido de carbono, economizando nos materiais de combustão e protegendo o meio ambiente.

Caldeira de biomassa: como funciona

O princípio de funcionamento da caldeira de biomassa é praticamente idêntico ao de uma caldeira a gás comum. A diferença está no tipo de combustível utilizado para a produção de energia térmica usada para aquecer a água que circula no sistema. O funcionamento, portanto, é baseado na combustão da biomassa dentro de uma câmara de combustão específica.

A biomassa é alimentada por um sistema automático que a queima, gerando calor que é transferido posteriormente para um circuito de aquecimento. Esse circuito distribui então o calor por todo o edifício. Em determinados contextos, a energia produzida pela caldeira pode ser utilizada também para gerar energia elétrica por meio de uma turbina.

Caldeira de biomassa: tipos

As biomassas se diferenciam em:

  • líquidas: derivam da prensagem e refinação de sementes oleaginosas ou de outras partes de plantas específicas;
  • gaseificadas: (biogás, syngas) são obtidas a partir de biomassas sólidas com processos específicos. No caso do biogás, por exemplo, ele é obtido por meio de um processo biológico a baixa temperatura, no qual, na ausência de oxigênio, a substância orgânica é transformada em uma mistura gasosa de metano e dióxido de carbono;
  • sólidas: geralmente são utilizadas como combustível em instalações térmicas.

Entre todas as biomassas sólidas, as de origem lenhosa desempenham um papel significativo, devido à sua ampla disponibilidade e facilidade de armazenamento e combustão.

As biomassas lenhosas incluem materiais provenientes do setor agroflorestal e das indústrias da madeira, como:

  • pellets: resíduos de processamento de madeira comprimidos em cilindros. Esse material é utilizado em fogões para o aquecimento direto de ambientes ou em caldeiras para aquecer a água dos radiadores e/ou dos painéis radiantes no piso;
  • cavacos: madeira natural proveniente de florestas triturada com ou sem casca;
  • serragem: derivada de resíduos industriais;
  • toras de madeira: constituídas por resíduos de madeira prensados;
  • lenha para queima em pedaços (toros): porções de tronco provenientes de florestas.

Uma caldeira de biomassa se destaca pela possibilidade de ser alimentada tanto com um dos tipos de combustível mencionados anteriormente, quanto por meio de uma combinação deles. Neste último caso, aumenta a versatilidade e a utilidade para os usuários finais.

O tipo mais comum consiste em caldeiras de chama invertida, onde a chama não se desenvolve para cima, mas para baixo. Dessa forma, com a carga de combustível presente na parte superior da própria caldeira, é possível carregar o fogo ao máximo sem que a madeira queime toda de uma vez.

Na escolha da caldeira, o primeiro aspecto a ser considerado diz respeito ao tipo de combustível que se deseja utilizar. Vejamos alguns exemplos.

Caldeira a pellets

O pellet é um combustível de biomassa feito de resíduos de madeira não tratada, em forma cilíndrica e com comprimento geralmente de até 3 cm. Esses resíduos são reduzidos a serragem, secos para reduzir a umidade presente e submetidos a um processo subsequente de prensagem, no qual pressão e calor permitem dar forma aos típicos cilindros.

Caldeira a cavacos

Os cavacos de madeira representam uma biomassa de custo muito baixo, fácil de obter e simples de produzir. Eles são obtidos por meio da trituração da madeira, processo no qual é utilizada uma máquina chamada picador, capaz de reduzir em lascas os resíduos resultantes de cortes, podas e trabalhos em madeira para outros fins.

Essas lascas, com no máximo alguns centímetros de comprimento, são deixadas à descansar por alguns anos para perder a umidade absorvida, secar e estar prontas para a queima. Assim como o pellet e a madeira em geral, quanto maior o nível de secagem dos cavacos, maior o seu poder calorífico.

Caldeira a lenha

A caldeira alimentada a lenha certamente representa a solução mais válida. No entanto, é fundamental garantir que a lenha esteja adequadamente seca e bem armazenada para minimizar o teor de umidade, além de cortada em pedaços utilizáveis.

A escolha do biocombustível

A escolha correta do biocombustível depende de vários fatores, incluindo:

  • densidade energética;
  • teor de umidade;
  • tamanho das partículas;
  • quantidade de cinzas.

É fundamental considerar que o biocombustível deve atender tanto aos requisitos tecnológicos quanto aos ambientais do gerador de calor e que a escolha ideal do combustível pode variar de situação para situação, pois não há uma solução universal.

Em geral, os biocombustíveis de baixa qualidade apresentam alta umidade, tamanho de partícula variável e baixo ponto de fusão das cinzas. Geralmente, são utilizados em instalações de grande porte capazes de compensar os altos custos associados à gestão do combustível e à limpeza dos gases de escape.

Por outro lado, os biocombustíveis de alta qualidade, mais gerenciáveis, são frequentemente preferíveis para instalações de pequeno porte.

A densidade energética é um fator crítico a ser considerado, pois influencia a quantidade de espaço necessária para o armazenamento e a gestão do biocombustível. Os pellets, por exemplo, têm uma densidade energética de cerca de 3100 kWh/m3, enquanto os cavacos podem variar consideravelmente dependendo da qualidade e da umidade, com valores entre 630 e 860 kWh/m3.

Os biocombustíveis com alta densidade energética, como os pellets, são mais adequados para armazenamento em espaços reduzidos ou para entregas menos frequentes, enquanto os cavacos requerem um amplo espaço de armazenamento e são necessários altos carregamentos térmicos.

No entanto, as especificações do combustível a ser utilizado serão fornecidas pelo fornecedor da tecnologia de combustão e é sempre aconselhável consultar as normas técnicas europeias ou nacionais para garantir o cumprimento dos requisitos mínimos dos biocombustíveis tanto para parâmetros físicos (dimensões, umidade, densidade, etc.) quanto para parâmetros químicos (potência do calorífico, densidade energética, teor de cinzas ou outros elementos químicos).

Projeto de sistemas de aquecimento de biomassa

Podemos esquematizar as atividades necessárias para o projeto de um sistema de aquecimento de biomassa nas seguintes fases:

  • conceito;
  • definição;
  • implementação;
  • entrega;
  • gestão.

Fase de conceito

Durante o processo de projetação de um sistema de biomassa, a fase inicial inclui uma avaliação preliminar da sustentabilidade do projeto para um determinado local. Um erro comum nesta fase, especialmente quando a experiência dos envolvidos é limitada, é basear as decisões em soluções que funcionaram em outros lugares. No entanto, esse enfoque nem sempre é recomendável, pois cada projeto é único e requer uma abordagem personalizada.

Cada projeto tem suas próprias peculiaridades, portanto, é fundamental projetar e adaptar cada elemento às necessidades específicas dos usuários.

Para evitar gastos excessivos na fase inicial do processo, é possível proceder em etapas: uma fase de pré-viabilidade, na qual todos os locais inadequados devem ser filtrados e excluídos do projeto e, posteriormente, um estudo de viabilidade mais detalhado que visa quantificar algumas das variáveis-chaves que permitem uma melhor avaliação da aplicabilidade da proposta.

Fase de definição

Durante a fase de definição do projeto, é necessário aprofundar ainda mais os detalhes técnicos e financeiros.

Nesta fase, são tomadas decisões sobre o tamanho do gerador e o tipo de combustível utilizado. Esses fatores, que influenciam todos os outros aspectos do sistema, devem ser identificados com base em uma compreensão clara das necessidades de calor e dos requisitos específicos dos usuários do local.

Identificar antecipadamente os problemas potenciais que podem comprometer a realização ou o funcionamento do projeto pode economizar tempo e dinheiro nas fases posteriores.

É comum encontrar problemas como dificuldades na entrega de combustível em determinados períodos do ano ou a presença de comunidades sensíveis ao ruído ou ao tráfego, que podem influenciar as decisões de projeto.

Consultar as partes interessadas durante esta fase pode ser extremamente útil para coletar informações úteis e enfrentar possíveis obstáculos previsíveis. As partes interessadas podem incluir os administradores do local, o pessoal de manutenção ou de implementação do sistema, os fornecedores de biocombustíveis e os usuários finais. Os residentes locais também podem ser considerados partes interessadas se forem afetados pelas atividades do sistema.

Fase de implementação

Na fase de implementação do projeto, são atribuídos papéis aos diferentes atores e são realizadas várias atividades, com a participação do cliente.

É importante manter uma boa comunicação entre todos os participantes desta fase de desenvolvimento do projeto. A interconexão entre os diferentes elementos do projeto implica que qualquer alteração em relação às especificações estabelecidas na fase inicial pode afetar outras componentes do sistema.

Reuniões periódicas com as partes interessadas são fundamentais para considerar adequadamente todas as possíveis alterações no projeto sem comprometer a funcionalidade futura do sistema e sem criar problemas para as partes envolvidas. Esta fase termina com a entrada em operação da caldeira.

Fase de entrega

Uma vez que o sistema é construído, ele é entregue ao operador que o gerencia ou diretamente ao proprietário.
Os modernos sistemas de biomassa geralmente são eficientes, mas seu desempenho pode diminuir significativamente se os operadores não possuírem as habilidades adequadas ou não forem devidamente treinados.

Os principais aspectos nos quais o pessoal deve ser treinado são a gestão correta, a manutenção regular, a limpeza das cinzas, as possíveis falhas que podem ocorrer durante o funcionamento normal. A fase de entrega inclui, obviamente, os testes necessários para verificar se o desempenho está de acordo com o definido na fase de projeto.

Fase de gestão

Após a entrega do sistema, há um período de familiarização com os equipamentos e seu uso, especialmente considerando as variações nas cargas térmicas e na qualidade do combustível.

O controle do desempenho do sistema também é uma ferramenta valiosa para identificar precocemente qualquer problema dentro do sistema.

Dimensionamento da caldeira

Projetar a caldeira corretamente é fundamental para garantir um funcionamento ideal do sistema. Enquanto as caldeiras à combustível fóssil, como as a gás, podem se adaptar dinamicamente à demanda de calor, as caldeiras de biomassa são menos reativas e requerem um dimensionamento preciso para evitar ineficiências e problemas de funcionamento.

Normalmente, essas caldeiras são superdimensionadas para reduzir o risco de não atender completamente às necessidades dos usuários.

As caldeiras de biomassa são menos reativas e, se superdimensionadas, podem gerar ciclos contínuos de ligar e desligar, com consequências negativas como baixa qualidade de combustão, baixa eficiência, aumento das emissões, desgaste excessivo dos componentes e maior probabilidade de falhas.

Para resolver esse problema, é necessário fazer uma distinção entre a carga térmica média e a carga de pico já durante a fase de projetação do sistema.

Segundo essa abordagem, as caldeiras são dimensionadas para atender apenas parte da carga de pico, com desempenhos que variam de acordo com o modelo e a tecnologia. Por exemplo, uma caldeira a cavacos deve operar, de norma, pelo menos a 30% de sua potência térmica útil, enquanto em uma caldeira a pellets pode ser reduzida para 25%.

Uma otimização do sistema, também do ponto de vista econômico, pode envolver o uso de uma caldeira de tamanho reduzido capaz de atender a 50-60% da carga de pico. Além disso, para lidar com a carga térmica adicional, podem ser integradas outras caldeiras menores, alimentadas com combustíveis fósseis ou biomassa e equipadas com um acumulador térmico. Este último é altamente recomendado, pois permite aumentar a eficiência do sistema; uma caldeira dimensionada para 50% da carga de pico pode atender até 85% da demanda se combinada com um acumulador térmico adequado.

Quando a demanda de calor é mais constante ao longo do tempo ou não apresenta variações significativas, é possível dimensionar o sistema para que possa atender autonomamente também às demandas de pico.

No caso em que o sistema de aquecimento faça parte de importantes trabalhos de renovação, é aconselhável revisar e diminuir as cargas térmicas, pois muitas vezes são introduzidas medidas para melhorar o desempenho do edifício, como a melhoria do isolamento térmico e a redução das perdas de calor.

Prós e contras de uma caldeira a biomassa

Optar por uma caldeira a biomassa envolve a consideração de alguns prós e contras. Entre as principais vantagens estão:

  • baixo impacto ambiental, devido ao baixíssimo nível de emissões de CO2;
  • economia real nos consumos de energia;
  • baixo custo dos pellets ou biomassa em geral.

Entre as desvantagens, por outro lado, estão:

  • tamanho volumoso;
  • necessidade de um espaço técnico externo;
  • necessidade de manutenção e limpeza regulares;
  • necessidade de uma saída de fumaça separada;
  • incômodo relacionado ao abastecimento de combustível;
  • custo mais elevado em comparação com caldeiras a gás.

Entre essas desvantagens, a mais significativa é, sem dúvida, a necessidade de um espaço técnico externo. Em contraste com um fogão a lenha, a caldeira requer uma instalação fora do prédio.

Como fazer a manutenção de uma caldeira a biomassa?

A manutenção regular dos sistemas tecnológicos de biomassa, incluindo a caldeira, deve ser realizada pelo menos uma vez por ano. Essa manutenção diz respeito tanto ao gerador de calor quanto ao sistema de exaustão. É importante realizar uma manutenção adequada para garantir a máxima eficiência e minimizar as emissões prejudiciais ao meio ambiente. Além disso, os sistemas de energia térmica de biomassa também devem passar por uma inspeção de eficiência energética realizada por um técnico autorizado.

Quanto custa instalar uma caldeira a biomassa?

O custo de uma caldeira a biomassa pode variar significativamente com base em diversos fatores, como marca, modelo, potência, complexidade do sistema e instalação necessária. Em geral, as caldeiras a biomassa podem ter um preço inicial mais alto do que as caldeiras tradicionais a gás, mas é importante considerar também as economias a longo prazo nos custos de energia e o possível acesso a incentivos fiscais ou financiamentos para eficiência energética.

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