GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA ATRAVÉS DO BIOGÁS NA SUINOCULTURA

Produzido em um equipamento biodigestor, o biogás é um gás combustível que pode ser aproveitado para a geração de energia elétrica, através de equipamentos que convertem a energia térmica gerada pela combustão do gás. A implantação desse tipo de sistema, apresenta uma opção de geração de energia limpa e sustentável, que pode suprir a necessidade de energia de uma determinada empresa ou até mesmo de uma pequena localidade, com baixo impacto ambiental. Palavras-chave: Biodigestor, biogás, geração térmica, suinocultura, energia. INTRODUÇÃO No Brasil, é crescente a diversificação da matriz energética com intuito de garantir cada vez mais a estabilidade no abastecimento de energia elétrica, e de promover a modicidade tarifária pela competição entre as diferentes fontes energéticas.

Além disso, com o advento da geração distribuída, consumidores em baixa e média tensão passaram a implementar em suas propriedades sistemas geradores de energia elétrica, especialmente a partir de fontes renováveis, com o objetivo de tornarem-se autossuficientes em energia ou de ao menos promover uma economia nas suas faturas mensais de eletricidade. O BIOGÁS O biogás é um recurso energético renovável, proveniente da biodigestão dos resíduos orgânicos, que pode ser utilizado na produção de energia elétrica ou térmica nas granjas de suínos. A forma como se produz o biogás pode ser definida como digestão anaeróbica dos dejetos. Na ausência de oxigênio, microrganismos fazem a degradação da matéria orgânica dentro do biodigestor, um volume fechado em formato de uma lagoa coberta por uma vinimanta de policloreto de vinila (PVC).

Como resultado tem-se parte dos resíduos orgânicos transformada em uma combinação gasosa, que é o biogás, e a outra parte sólida que é o biofertilizante. Após o processo, o gás é canalizado até uma central onde realiza-se a conversão em energia [1]. A Fig. demonstra as possíveis formas de uso do biogás, em que se apresenta de forma sistemática os tópicos referentes aos conceitos aplicados. Dentre as possibilidades, há a geração de energia elétrica através do uso de tecnologias de conversão conhecidas, que mais adiante serão apresentadas e discutidas. Figura 1: Aproveitamento do biogás. Fonte: Suani T. Contudo, se essa proporção não ocorrer conforme descrito acima, não haverá a queima completa do metano e o mesmo será lançado à atmosfera, o que não se deseja, pois sabe-se que esse elemento é prejudicial ao meio ambiente.

A notação química da reação mencionada fica da seguinte forma: CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O [7]. O biogás pode ser utilizado em combustão direta em caldeiras, turbinas a gás e motores de combustão interna. O calor liberado é convertido em potência mecânica e com um gerador acoplado é possível converter essa potência em energia elétrica. O potencial de energia contido nos combustíveis é definido através de uma propriedade, o poder calorífico inferior (PCI). Ainda se faz necessário realizar ajustes no sistema de arrefecimento, injeção eletrônica do biogás em conjunto com a turbina e o sistema de ignição, devido às características de queima do combustível [3;8]. A Fig. mostra a foto de um motor gerador de 120 kVA da ER-BR Ltda.

Pode-se observar e entender como o gerador fica acoplado ao motor Figura 3: Foto de um motor gerador da empresa ER-BR. Fonte: Suani T. Coelho (2018, p. PEQUENAS CENTRAIS TÉRMICAS Este modelo basicamente se constitui em utilizar o biogás como fonte de calor para a caldeira aquecer a água, convertendo-a em vapor a alta pressão que é canalizado até a turbina. Com a expansão do vapor na turbina, por força da pressão descarregada nas pás, a turbina passa a girar em velocidade constante e, com isso, o gerador fornece potência à rede conectada. A Fig. ilustra, de forma simplificada, o funcionamento desse sistema com uma turbina a vapor. Comparada com outras tecnologias, como o conjunto motor gerador por exemplo, tem-se menores índices de poluição atmosférica e baixa emissão de ruídos.

Contudo, para uma microturbina operar com o biogás, o combustível precisa passar por um sistema de filtro mais sofisticado para a remoção de humidade e ácido sulfídrico, pois estes elementos presentes no gás podem gerar consequências danosas às paletas da turbina e aos equipamentos em geral. MICROTURBINAS Micro turbinas são pequenas turbinas de combustão a gás, de alta velocidade, com potência de saída entre 30 e 200 kW. Com exceção da menor capacidade da máquina e da velocidade de rotação, que é mais alta, micro turbinas possuem o funcionamento idêntico ao das turbinas a gás de porte convencional. Ar é comprimido e misturado com o gás combustível em uma câmara onde ocorre a combustão. Outro inconveniente pode ser quando a composição do combustível é variável, fazendo com que a turbina acelere mais ou menos, havendo necessidade de custos adicionais no sistema de controle para garantir a geração de eletricidade na frequência correta da rede.

Sob esse aspecto, os motores de combustão interna são mais simples de operar e controlar. COGERAÇÃO No processo de conversão de energia, no tocante ao que envolve a queima de combustível para o funcionamento do sistema, parte da energia química dos combustíveis é inevitavelmente é perdida, ou seja, parte se dissipa em forma de calor, seja através dos gases de escape dos motores de combustão interna ou gases de escape das turbinas a gás, ou ainda através da condensação em um ciclo a vapor. Para reduzir essa perda, o processo de geração pode ser combinado a um sistema que trabalhe de forma conjunta, aproveitando essa energia térmica para outro processo, evitando assim a utilização uma nova fonte energética e tornando a geração ainda mais eficaz [9;10].

Porém, para que se possa utilizar a cogeração, é necessário existir uma demanda de energia térmica próxima ao local de geração da energia, caso contrário o calor da combustão não poderá ser recuperado. Figura 6: Fluxograma dos procedimentos para elaboração do artigo. Fonte: Do autor (2018) Além da pesquisa e levantamento de dados, esse artigo tem a pretensão de realizar um estudo de caso, calculando o potencial de geração de biogás de uma granja de suínos, e determinando qual a quantidade de energia gerada a partir das várias tecnologias disponíveis. Finalmente, uma análise econômica será conduzida, avaliando de maneira comparativa os custos existentes e as receitas geradas. PESQUISAS INICIAIS O trabalho se iniciou com a leitura necessária de artigos científicos, notas em sites, livros e dissertações de pós-graduação, a fim de embasar a fundamentação teórica e desenvolver os demais tópicos dessa pesquisa.

Com isso, visa-se apresentar ao decorrer dos textos um trabalho de natureza bibliográfica com dados, fórmulas e conceitos sobre a utilização do biogás para a geração de energia. GIROTTO. SANGOI. p. Sabendo-se o volume total de dejetos a ser produzido diariamente, é possível dimensionar o sistema que irá armazená-los, o biodigestor. Para tal, leva-se em consideração os índices de produção de dejetos, o tempo de confinamento dos animais em cada etapa da produção, e o tempo em dias que os dejetos devem ficar armazenados no biodigestor [11]. Onde: VB: Volume da câmara de digestão; Vtd: Volume total de dejetos diário; e TRH: Tempo de retenção hidráulico, em dias. Onde: Vbd: Volume de biogás por dia; VB: Volume da câmara de digestão; e k: Índice de eficiência de produção de biogás no biodigestor.

Com a obtenção dos valores das equações anteriores, pode ser definida a quantidade de energia elétrica gerada por dia através da quantidade de biogás gerado por dia. Conforme a Tabela 3, pode-se equiparar o biogás com alguns combustíveis para ter-se compreensão de sua equivalência. Tabela 3: Equivalência do biogás a outros combustíveis. Onde: I - Investimento inicial; FCt - Fluxo de caixa liquido na data t; i - Taxa de juros; VR - Valor residual do projeto ao final do período de análise; n – Tempo de amortização do investimento. Taxa Interna de Retorno (TIR) é utilizada como parâmetro para definir a aprovação ou não de um projeto, estando ligada às receitas que o projeto poderá gerar.

A taxa interna de retorno é a taxa de desconto que torna o VPL nulo, sendo um indicador comparativo do retorno que o projeto confere ao investidor. Outro indicador utilizado na avaliação financeira de projetos é o tempo de retorno de investimento (TRI), que pode ser calculado pela Eq. Onde: TRI - Tempo de retorno (anos). animais. Considerando-se uma produção média de dejetos por animal por dia igual a 0,00784 m³/dia/animal [14], ao aplicar-se a Eq. é possível calcular a produção diária de dejetos, no valor de 62,73 m³/dia. Considerando um tempo de retenção hidráulico (TRH) do biodigestor igual a 22 dias, tempo considerado ótimo para uma adequada biodigestão da matéria orgânica dos dejetos produzindo o biogás, é possível calcular o tamanho do biodigestor utilizando-se a Eq.

No caso estudado, o biodigestor deve ter um volume de 1. De posse do poder calorífico inferior e da quantidade de biogás produzida, podemos calcular, por simples multiplicação, a energia diária total disponibilizada por esse recurso para o sistema de geração de eletricidade. Temos que a energia térmica disponível para o sistema de geração é igual a 5. kWh/dia, com uma potência térmica equivalente de 247,7 kW. A quantidade de energia que poderá ser extraída desse recurso dependerá da eficiência de conversão da tecnologia escolhida, o que será tratado no item a seguir. Eficiência em geração Cada tecnologia de conversão de energia térmica em energia elétrica possui suas particularidades e sua eficiência de conversão, a qual pode ser definida como mostrado na Eq.

Novamente, a pressão e a temperatura do fluido na entrada da turbina são parâmetros fundamentais para a eficiência do equipamento. Além disso, no caso do vapor existe ainda um problema adicional. Caso o vapor não entre na turbina com uma temperatura suficientemente alta, o que pode acontecer caso seja utilizado um combustível pobre ou em quantidade insuficiente, aumenta-se a chance de que o vapor comece a condensar-se ainda dentro da turbina, causando perda de eficiência pois a fluidodinâmica do líquido é completamente diferente da do vapor, e diminuindo sensivelmente a vida útil do equipamento por erosão das paletas [16]. No caso dos motores de combustão interna para queima de biogás, foi considerada uma eficiência total de conversão igual a 29%.

Caso fossem utilizadas micro turbinas a gás, a eficiência do equipamento seria penalizada, devido ao baixo poder calorífico do biogás, a menos que o biogás sofresse um processo de tratamento e purificação, tornando-se biometano, como citado anteriormente. Neste estudo de caso, foi considerado um fator de capacidade igual a 85% para tanto motores de combustão interna como para micro turbinas a gás. Ciclos a vapor são mais estáveis na operação, com fatores de capacidade entre 85% e 95%. Neste estudo de caso, foi considerado um fator de capacidade de 90% para o ciclo a vapor [15;17]. A tabela 4 a seguir realiza um comparativo mostra os principais parâmetros de geração para as três tecnologias estudadas, a partir da mesma fonte térmica – combustão do biogás – destacando suas diferenças em termos de eficiência energética, fator de capacidade e energia gerada anualmente.

Tabela 4: Comparação entre os modelos estudados Motores de Combustão Interna Micro Turbinas a Gás Ciclo a Vapor Energia Térmica do Biogás (kW) 247,69 247,69 247,69 Eficiência Energética (%) 29% 27% 24% Potência Elétrica de Saída (kW) 71,83 66,88 59,44 Fator de Capacidade (%) 85% 85% 90% Geração de Eletricidade Anual (MWh/ano) 534,84 497,95 468,66 Fonte: Do autor (2018) 5 ANÁLISE DE RESULTADOS A Fig. Esse valor compreende o conjunto moto-gerador em si, com valor de R$ 147. o valor dos filtros de H2S estimado em R$ 15. painel de proteção no valor de R$ 42. equipamentos auxiliares no valor de R$ 7. e equipamento de partida no valor de R$ 8. Sendo assim, os custos de instalação dessa opção tecnológica somarão R$ 224. e os custos de operação e manutenção serão de R$ 10. ano [16;17].

A tabela 5 a seguir apresenta o resumo dos dados levantados para a análise econômica das alternativas. Tabela 5: Dados para análise econômica dos modelos estudados DADOS PARA ANÁLISE ECONÔMICA Motores de Combustão Interna Micro Turbinas a Gás Ciclo a Vapor Eletricidade Gerada (MWh/ano) 534,84 497,95 468,66 Preço da eletricidade (R$/MWh) 500,00 500,00 500,00 Receita Anual Gerada (R$/ano) 267. a seguir. Tabela 6: Resultados da análise econômica dos modelos estudados RESULTADOS ANÁLISE ECONÔMICA Motores de Combustão Interna Micro Turbinas a Gás Ciclo a Vapor Investimento Total (R$) 429. Lucro Bruto na Operação (R$/ano) 218. Valor Presente Líquido (VPL, R$) 405. Taxa Interna de Retorno (TIR, % a. Trata-se de uma alternativa confiável, bem estabelecida, com uma boa eficiência energética e estabilidade de geração, compensando os altos custos de operação e manutenção (é o mais alto custo operacional das três opções estudadas).

A geração de energia através de um ciclo a vapor também mostrou-se atrativa, porém a eficiência energética é bastante penalizada nesse caso, pela pequena escala dos equipamentos. Um aspecto importante a ser considerado é a possibilidade da temperatura de admissão da turbina não ser alta o suficiente para evitar a condensação de vapor no interior da turbina, o que prejudica ainda mais a eficiência e danifica o equipamento no longo prazo, elevando em muito os custos para reposição das paletas. Portanto, deve-se estudar com muita cautela essa opção tecnológica. A utilização de micro turbinas a gás, apesar de viável economicamente, mostrou-se ser a alternativa menos atrativa. Disponível em: < http://www. biblioteca. satc. edu. br/documentos/000013/00001345. GARCILASSO, Vanessa Pecora; JUNIOR, Antônio Djalma Nunes Ferraz; et al.

Tecnologias de produção e uso de biogás e biometano: Part. I Biogás; Part. II Biometano. São Paulo: IEE-USP, 2018. p. maio/jun. Disponível em: < https://pt. scribd. com/document/215092032/ANALISE-ECONOMICA-DA-GERACAO-DE-ENERGIA-ELETRICA-A-PARTIR-DO-BIOGAS-NA-SUINOCULTURA> Acesso em: 06 setembro 2018. L. Tecnologias de produção e uso de biogás e biometano. São Paulo: IEE-USP, 2018 [6] COELHO, José Mauro. Impactos da participação do biogás e do biometano na matriz brasileira. IV Fórum do Biogás, São Paulo, 2017. br/media/File/energia_agricultura/pdf/Dissertacao_Angelica_Avaci. pdf> Acesso em: 23 agosto 2018. REIS, Lineu Belico dos. Geração de Energia Elétrica. ed. Estudante de Mestrado da Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação da Unicamp (FEEC/UNICAMP). Disponível em: <http://www. proceedings. scielo. br/pdf/agrener/n5v1/018. cnpsa. embrapa.

br/sgc/sgc_publicacoes/publicacao_c6f75b0x. pdf>. Acesso em: 18 outubro 2018. Trabalho Final de Curso apresentado como requisito parcial para a obtenção do título de Bacharel em Engenharia Mecânica, pelo Curso de Engenharia Mecânica da Faculdade Horizontina. Horizontina, 2014. Disponível em: < http://www. fahor. com. p. Julho 2018. SILVA, F. P. SOUZA, S. Renewable and Sustainable Energy Reviews, v. p. MORAN, M; SHAPIRO, H. Fundamentals of engineering thermodynamics. ed. S. EPA – Environment Protection Agency. Catalog of CHP Technologies. Section 5. Technology Characterization – Microturbines, 2015, 1st Revision in 2017. SANTOS, E. C. GOMES, E. E. B.