Geração de Energia Alternativa Através da Utilização de

Biogás

Anderson Dêner Aparecido de Freitas

Fabio Xavier Matsuoka

Prof. Laerte Edson Nunes

Tecnologia em Mecatrônica Industrial

Faculdade de Tecnologia de Garça (FATEC)

Caixa Postal 17.400-000 – Garça – SP – Brasil

fegi2@yahoo.com

fabioxm@live.com

Abstract

The increasing of electricity consumption and the risk of an electric crisis reflects the

necessity of searching for alternatives to electricity generation. The alternatives sources

are gaining each time more space as an option for generation, with lower cost and

reduction of environmental impacts. An effective alternative is the use of biogas, due to

the high energy potential of gases generated by the decomposition process, and by

being gotten by means of decomposition of organic material. Despite the finding,

currently there is still little exploration of this resource type.

Besides the high energetic performance, these systems will meet the new global trends

contributing to the environmental recovery. Automation is an important technology to

improve the generation performance and utilization of electricity.

The automation processes are becoming each time more accessible, and thus it becomes

viable the implantation in several industry sectors. Automating a system is more than

improve the process, it is the guarantee of standardization and high efficiency, reducing

waste, besides facilitating the solution in the failures occurrences. The social relevance

of the topic is justified by the contribution to the recuperation of the environment, and

the quality of people´s lives with the use of science and technology. The research is

theoretically grounded in the written and electronic works, which contribute to the

arguments of questions posed. Like methodology. It was used the prototype to verify the

relation of theory and practice.

Keywords- Automation. Energy. Biogás.

Resumo

O crescente aumento do consumo de energia elétrica e o risco de crise energética

refletem a necessidade de buscas alternativas para geração de energia elétrica. Essas

fontes alternativas ganham cada vez mais espaço, como opção para geração elétrica,

com menor custo e redução de impactos ambientais. Uma alternativa eficaz é a

utilização do Biogás, devido ao alto potencial energético dos gases gerados pelo

processo de decomposição, e por ser obtido por meio da decomposição de matéria

orgânica. Apesar da constatação, atualmente ainda há pouca exploração desse tipo de

recurso. Além do alto desempenho enérgico, estes sistemas vão ao encontro das novas

tendências mundiais colaborando para a recuperação ambiental. A automação é uma

tecnologia importante para melhorar o desempenho da geração e utilização da energia

elétrica. Os processos de automação estão cada vez mais acessíveis, e dessa forma,

torna-se viável a implantação em diversos setores da indústria. Automatizar um sistema

é mais do que modernizar o processo, é a garantia da padronização e alto rendimento,

reduzindo desperdícios, além de facilitar a solução na ocorrência de falhas. A

relevância social do tema se justifica pela contribuição à recuperação do meio

ambiente, e a qualidade de vida das pessoas, com o uso da ciência e das tecnologias. A

pesquisa está teoricamente fundamentada nas obras escritas e eletrônicas, as quais

contribuem para os argumentos das questões postas. Como metodologia, utilizou-se o

protótipo, para se constatar a relação teoria e prática.

Palavras Chave – Automação. Energia. Biogás.

1. Introdução

O conceito de energia é algo complexo não sendo fácil de ser definido, pode ter vários

sentidos dependendo da situação como é empregada. É fato comprovado que se

continua cumprindo o que disse James Prescott Joule, o criador da medida "joule",

baseando-se em Lavoisier, que energia não se cria nem se destrói, só se transforma,

obedecendo assim à lei da conservação.

Sem energia nem mesmo os seres humanos estariam vivos. Com a ingestão dos

alimentos, nosso organismo consegue liberar a energia armazenada em carboidratos,

gorduras e proteínas. Com essa energia, nos mantemos vivos e realizamos todas as

nossas atividades, acontecendo o mesmo com os demais seres vivos. Enquanto os

alimentos são a base da qual obtemos energia para o nosso organismo, a sociedade

encontra nos combustíveis fosseis a fonte privilegiada de energia para fazer funcionar

seus automóveis, suas indústrias, suas cozinhas, etc. (COMBUSTÍVEIS FÓSSEIS E

FONTES ALTERNATIVAS DE ENERGIA, 2012).

Um quadro preocupante é que aproximadamente 87,3% da energia utilizada em

todo o planeta provêm de fontes de energia não renováveis, como o petróleo e seus

derivados, carvão mineral, gás natural e energia nuclear. Todas essas fontes são

altamente poluentes e causam grande impacto negativo ao meio ambiente. As fontes de

energia não renovável que provêm de combustíveis fósseis, como os derivados do

petróleo e do carvão mineral são encontrados em quantidade limitada em nosso planeta.

O fato é que uma hora as fontes de energia fósseis vão acabar.

As fontes tradicionais de energia estão se tornando cada vez mais escassas e com

os custos mais elevados.

No complexo sistema de energia atual, é cada vez maior a necessidade de

oferecer soluções alternativas para a geração de energia elétrica, buscando aumentar a

rentabilidade e reduzir impactos ambientais.

As fontes de energia renováveis como a hidráulica, eólica, solar, biológicas entre

outras ainda são pouco utilizadas, mas por serem pouco poluentes podem ser uma opção

para garantirmos o futuro do meio ambiente.

A energia elétrica pode ser uma forma de energia limpa e renovável, dependendo

do modo como é gerada. Ela é essencial para o desenvolvimento tecnológico e

econômico, além de proporcionar qualidade de vida às pessoas. O problema é que em

algumas situações os recursos utilizados para geração de energia elétrica ainda são de

fontes não renováveis.

Algumas fontes renováveis que podem ser utilizadas para a geração de energia

elétrica como a eólica, solar, geotérmica (pelo calor das rochas do subsolo), biogás (pela

decomposição de elementos orgânicos), ainda são pouco utilizadas ou muitas vezes até

desperdiçadas. As fontes renováveis é uma opção para tentarmos obter energia mais

limpa e barata.

2. Biogás

Atualmente as indústrias no segmento de energia, estão mais focadas em encontrar

novas fontes renováveis para produção de energia e produção de gás para substituir o

petróleo que agride o meio ambiente. Procurar por nova fonte de produção energética

pode ajudar a as reservas naturais extraídas do solo, como minerais, petróleo e entre

outros, pois pode ocorrer o desaparecimento dessa reserva natural para extração e

produção de energia.

Segundo OLIVEIRA (2009), a engenharia na produção energética teve a origem

na revolução industrial, onde a primeira máquina e as novas tecnologias começaram a

entrar no Brasil. A produção de energia também começou a se destacar no país com as

descobertas de reservas de petróleo (reservas minerais) gerando assim uma grande

escala de energia e produção de gás.

Contudo ao passar do tempo e com o aumento da população no País surgiram

novas preocupações com o meio ambiente para encontrar novas fontes renováveis e

conservadoras para substituir o petróleo, pois o petróleo na sua composição contém

materiais pesados que agridem o meio ambiente. Dessa forma os engenheiros na área

energética vêm trabalhando e buscando novas soluções para reverter o problema com o

petróleo.

BLUCHER (2005), observa que os engenheiros tradicionais estão focados na

produção de energia mais sustentáveis e que no futuro mais próximo, novas fonte de

energia estará presente para a população, substituindo assim o petróleo. Uma

observação que se destaca é que os engenheiros estão conquistando o mercado de

trabalho e grandes capacidades e novas ideias de desenvolvimento na produção de

energia e a estimativa são uma tendência de ser abrangente para todo o mundo global

com fonte de energia renováveis.

O estado físico do processo de combustão e queima diante da reação química do

petróleo provoca muita poluição com o monóxido de carbono e com grande emissão

desses gases pode trazer até mesmo problemas para a saúde humana, sem contar as

mudanças climáticas em todas as regiões do País. Sabemos que nos dias de hoje o que

mais tem apresentado nas noticias, seja indireta ou diretamente é a sustentabilidade e a

diminuição da biodiversidade, servindo como alerta para a conscientização de que

precisamos preservar o meio ambiente para que a população futura não sofra com os

impactos ambientais.

Para HILSDORF (2004), a primeira descoberta revolucionária, vem de um

pesquisador chamado Tonso, que descobriu no pântano gases que poderiam ser usados

na geração de energia concentrada em grande escala. Foi neste ponto que o engenheiro

energético começou a pesquisar e investir em tecnologia para desenvolver novas fontes

de energia com mais recursos renováveis.

Com a descoberta dos recursos naturais o ser humano encontrou como forma de

geração de energia o biogás através das bactérias que produziam um gás conhecido

como Gás metano (CH2) e sua composição poderia gerar grande quantia de energia para

a população através das decomposições de matérias orgânicas.

Nosso planeta é uma grande fonte de eficiência no requisito no sistema de

aproveitamento se for observado cuidadosamente e ótima fonte de reaproveitamento de

energia e produção de gás. Esses recursos são considerados como fontes de energia

renováveis com extração direto na natureza ou do nosso ecossistema para obter ótimos

resultados, mas é preciso investir muito para suprir a demanda da população do País. O

recurso natural é qualquer instrumento extraído direto dos organismos ou seres vivos

com o poder de gerar energia. Veja na figura baixo uma comparação de fontes

renováveis e fontes de energia não renovável.

Figura 1. Comparação de Energia Renovável e Energia Não Renovável.

Fonte: HILSDORF, (2009, p. 45)

O interesse em obter novas formula para o desenvolvimento da biomassa através

do Biogás é um processo de baixo custo e consiste na extração diretamente de matéria

orgânica tais como: lixos residenciais, industriais e excremento de animais entre outros.

Atualmente no Brasil as fontes renováveis representam certa de 45,9% em toda a

produção de energia, seja ela por meio de ar, água, sol e biomassa e já está disponível

para a população brasileira. Mas a estatística para o setor de energia é de confiança e

otimismo para o grande desenvolvimento que está para surgir.

Atualmente tudo está sendo aproveitado pelo homem, lixo (reciclagem), e entre

outros derivados que podem produzir energia. A biomassa é um exemplo que pode

aproveitar todo esse resto de lixos orgânicos para obter energia. A biomassa é uma

grande fonte de energia e reduz o impacto da poluição produzida pelo petróleo. Veja na

figura abaixo um exemplo da oferta de energia no Brasil.

Figura 2. Matriz energética mundial, em 2005, e do Brasil, em 2007.

Fonte: REVISTA ESCOLA, (2012).

LAPELLI (2008) destaca que produção do biogás é resultado do gás metano e o

biolíquido é produzido pela conservação da biomassa para obtenção de energia ou de

liquido (gás), que pode gerar grande quantidade de energia. O grande consumo da

população e a grande quantidade para obter a biogás, pois o resto e decomposição de

matéria orgânica representada uma grande biodiversidade em função de consumo

necessários da população brasileira.

O fato, que cada uso de recursos (lixos), provoca resíduo e também impacto para

a sociedade, dessa forma com o intuito de minimizar esse impacto, o setor energético

desenvolveu aterros em terrenos para obter o gás metano para ser reaproveitado em

energias renováveis. Hoje a sociedade já tem consciência de que quanto mais cedo

investir no Biogás melhor será o futuro de novas gerações que estão por vir,

provavelmente dentro de 10 anos ou mais o setor energético estará ainda mais forte,

devido aos novos talentos de engenheiros com capacidade de gerar descoberta para

obter energia.

Biogás pode ser considerado uma mistura de gases produzida por intermédio de

bactérias pelo processo de fermentação da biomassa que obtém um valor energético

muito forte, semelhante ao petróleo.

Os componentes existentes no biogás são obtidos do gás carbônico, o gás

metano e outros gases para obter um líquido incolor com o baixo teor de odor. Esse

processo envolve as bactérias que sobrevivem de fonte de resíduos ou fontes de

matérias orgânicas que produzem uma fermentação muito forte. Esse gás produzido da

fermentação é a fonte para a industrialização do gás metano produzida em aterros ou

tanques especialmente desenvolvidos para reaproveitar esse gás.

De acordo com QUEIROZ (2008), para a produção da biomassa, são

considerados alguns princípios para realizar o desenvolvimento do biogás e a primeira

etapa consiste em separar ou coletar resíduos das residências, industriais, excremento de

animais (campo rural) para ser levado em aterros ou tanques especializado para coletar

o gás da fermentação no processo de decomposição dos resíduos. A segunda etapa é

extrair o liquido durante a fermentação (ação da bactéria) ou energia em reservatório

especialmente para armazenar o biogás.

O biogás é um grande colaborador para a redução do efeito estufa além de poder

ser transformado em energia elétrica e mecânica, o biogás ajuda a dar um destino ao

lixo produzido e gera como substrato um composto fertilizante que pode ser utilizado na

agricultura, gerando economia e maior produtividade para o produtor rural.

A produção de Biogás pode contar com grandes avanços por meio da

automação. Utilizando-se de recursos mecatrônicos propõem-se a automação do sistema

de geração e utilização de energia elétrica com a utilização de um CLP.

3. Utilização do CLP para automação de processos

De acordo com (NATALE, 2004, p.11), o CLP “É um computador com as mesmas

características conhecidas do computador pessoal, porém, [é utilizado] em uma

aplicação dedicada [...]”. Segundo a ABNT (Associação Brasileira de Normas

Técnicas), o CLP é um equipamento eletrônico digital com hardware e software

compatíveis com aplicações industriais.

O NEMA (National Electrical Manufactures Association), considera um CLP

um aparelho eletrônico digital que utiliza uma memória programável para armazenar

internamente instruções e para implementar funções específicas, tais como lógica,

sequenciamento, temporização, contagem e aritmética, controlando, por meio de

módulos de entradas e saídas, vários tipos de máquinas ou processos.

O CLP é dividido em 3 partes: Fonte de alimentação, CPU (Unidade central de

processamento) e as interfaces de entrada e saída do dispositivo.

A fonte de alimentação do CLP utiliza uma fonte chaveada de 24V que alimenta a CPU

e as portas de entrada e saída.

CPU: Segundo MORAES E CASTRUCCI (p.31, 2001), é “responsável pela

execução do programa do usuário, atualização da memória de dados e memória-imagem

das entradas e saídas”.

Interfaces de I/O: As entradas e saídas de um CLP podem ser divididas em duas

categorias: as analógicas e digitais. (Princípios de Automação Industrial, 2007 p. 26).

Operacionalmente, a CPU lê os dados de entradas dos dispositivos de campo através

dos módulos de entrada, e então executa ou realiza os controles de programa que tinham

sido armazenados na memória. Os programas normalmente são escritos na linguagem

LADDER, a qual se assemelha muito a um esquema elétrico baseado em relês. Os

programas são colocados na memória da CPU em forma de operações lógicas,

aritméticas etc. Baseado nesses programas o CLP escreve ou atualiza o estado das

saídas atuando nos dispositivos de campo (cargas). Este processo, conhecido como ciclo

de operação, continua na mesma sequência sem interrupções. (Princípios de Automação

Industrial com CLP’s, 2006 p. 5).

4. Funcionamento do processo atual

A proposta do presente trabalho é automação de um processo para a produção e

utilização de energia elétrica por meio do Biogás em uma indústria na região de Marília-

SP. A primeira etapa para tal procedimento é a Estação de Tratamento de Efluentes.

4.1 Estação de tratamento de efluentes (ETE)

Todo o efluente gerado dentro da área industrial recebe tratamento antes de ser

descartada ou reutilizada, a Estação de Tratamento de Efluentes (ETE), tem capacidade

de tratamento para até 40 metros cúbicos por hora. Esse volume não é constante

podendo variar de 19 até 54 metros cúbicos por hora, o volume que excede os 40 metros

cúbicos é enviado para um tanque reservatório para ser tratado posteriormente. O

tratamento principal é feito por bactérias anaeróbias, em seguida passa por tratamento

complementar realizado por bactérias aeróbias além de filtros e processos

intermediários que auxiliam no tratamento. Parte do efluente tratado volta para área

industrial para ser utilizado novamente, principalmente em banheiros, nas descargas dos

vasos sanitários.

A ETE recebe através de uma Caixa de Recalque todo o resíduo industrial e o

esgoto gerado nos banheiros e restaurante da empresa. Os resíduos industriais passam

por tratamento preliminar antes de chegar a Caixa de Recalque da ETE, é um sistema de

filtros que serve para retirar areia por meio de sedimentação e óleo por meio de

decantação além de peneiras que retém resíduos sólidos de grande porte.

Na Caixa de Recalque o efluente recebido é enviado para um Reator de

Acidificação, onde é feita agitação em movimentos circulares para reduzir através do

processo de Quebra de Cadeia o PH que é em torno de 10 vai ser reduzido entre 4,5 e 6,

quando o efluente está com PH muito acima de 10 é dosado HCL (Acido Clorídrico)

com uma concentração de 30% para ajustar o PH nos valores requerido.

Após o Reator de acidificação, é feita no Tanque de Ajuste uma correção mais

precisa do PH através da adição de Soda, com concentração de 50% para garantir que o

PH esteja entre 7,5 e 8 que são os valores necessários para a próxima etapa do processo,

que são os Reatores Metanogênicos onde temos lodo Anaeróbio que é um o tratamento

sem oxigênio, as bactérias do lodo Anaeróbio vão consumir matéria orgânica e liberar

Gás. Essa é parte do processo onde são gerados entre 12 e 17 metros cúbicos de Biogás

por hora, que será o combustível para alimentar o gerador de energia elétrica.

Nessa etapa o efluente já está semi tratado, então é enviado para os Reatores

Aeróbios, que são três tanques de processo ligados em serie, nesses tanques temos o

lodo Ativado, que são bactérias que ao contrario do processo anterior necessitam de

oxigênio, dessa maneira tem que ser inserido oxigênio através de compressores de ar

por fluxo ascendente para realizar a aeração dos tanques.

A última etapa do tratamento é realizada no Sistema Decantador e Filtro de

Areia, onde ocorre a sedimentação do lodo e a decantação do efluente tratado, nessa

etapa também é retirado o Fósforo e Nitrogênio antes de enviar o efluente para a caixa

elevatória onde será captado e enviado para o rio.

Todo o processo de tratamento é acompanhado 24 horas por um técnico de

Qualidade que monitora e realiza analises laboratoriais frequentes em varias etapas do

processo para assegurar funcionamento e realizar eventuais correções quando

necessário.

4.2 Sistema elétrico da ETE

Existem dois painéis elétricos na ETE onde estão instalados componentes elétricos e

eletrônicos que executam toda parte de controle da estação. No tratamento são

utilizados em torno de 55 motores elétricos entre principais e reservas que estão

acoplados em bombas, ventiladores, compressores e agitadores, existem motores dos

mais diversos modelos com potencia que variam desde 30KW que são as bombas

elevatórias de efluentes até motores de 0,12KW que são bombas dosadoras de produtos

químicos, esses motores são acionados através de contatores ou por inversores de

frequência, além de válvulas que controlam vazão ou dosagem de produtos químicos.

O acionamento desses atuadores é feito por dois CLPs que verificam as diversas

variáveis do processo e executa uma ação de controle de acordo com a necessidade. As

variáveis do processo são verificadas através de sensores que são instalados em vários

pontos do processo onde fazem a medição de temperatura, vazão, PH, oxigênio e nível.

Os valores medidos pelos sensores que podem ser analógico ou digital são enviados as

entradas do CLP, que de acordo com sua programação executa uma ação atuando uma

de suas saídas que também podem ser digital ou analógica.

4.3 Automação da ETE

O processo de tratamento é automatizado, desde o recebimento do efluente bruto até a

saída do efluente tratado, não sendo necessária a presença de operadores, todas as ações

de correção e controle é feita por meio dos CLPs, de maneira que o CPLs monitora as

variáveis do processo recebendo os sinais dos sensores de campo e executa uma função

de controle de acordo com sua lógica de programação.

Na programação temos definido o número de bomba que é ligada de acordo com

os medidores de vazão, a quantidade de acido ou soda que é adicionada ao tratamento

de acordo com os valores medido pelos sensores de PH, quando será ligado ou

desligado os compressores de ar conforme os níveis de oxigênio dos tanques que é

medido pelo sensor de oxigênio, caso algumas dessas variáveis não seja corrigida é

emitido um alarme para que o técnico de Qualidade possa tomar as medidas cabíveis.

4.4 Sistema Supervisório.

Os sistemas supervisórios permitem que sejam monitoradas e rastreadas informações de

um processo produtivo ou instalação física. Tais informações são coletadas através de

equipamentos de aquisição de dados e em seguida, manipulados, analisados,

armazenados e, posteriormente apresentados ao usuário. Estes sistemas também são

chamados de SCADA . (Supervisory Control and Data Aquisition). (Ana Paula

Gonçalves da Silva, Marcelo Salvador, 2004).

Figura 3. Equipamentos de instrumentação.

Fonte: SSC – SISTEMAS DE SUPERVISÃO E CONTROLE, (2009).

O Sistema Supervisório permite ao técnico de Qualidade acompanhar em tempo

real todas as etapas do tratamento, podendo visualizar os valores coletados do processo

por meio dos sensores ou informações enviadas pelo CLP, como o valor de PH de um

tanque, a vazão de uma bomba, qual bomba está ligada, além de visualizar todos os

alarmes que ocorrem no tratamento como uma bomba que não ligou ou um nível de

tanque muito alto, um PH fora do padrão ou qualquer outra anormalidade.

De posse dessas informações o técnico de Qualidade pode intervir no tratamento

manualmente abrindo ou fechando uma válvula, ligando ou desligando uma bomba,

aumentando ou diminuindo a frequência de um motor, ou utilizar dessas informações

para solicitar a equipe de manutenção na ocorrência de algum alarme.

A automação existente na ETE possibilita a implantação do sistema de geração

de energia com um baixo custo de investimento já que é possível utilizar a energia

gerada na própria ETE e aproveitar o CLP e o sistema Supervisório para controlar o

sistema de geração e utilização de energia, instalando apenas alguns componentes e

fazendo apenas pequenas mudanças na programação do CLP e Supervisório.

5. Comparação entre os meios para geração

Antes de definirmos onde e como vai ser utilizada a energia gerada, é necessário

escolher o método que torna mais eficiente a utilização de Biogás para geração energia

elétrica. O Biogás pode ser aplicado em caldeira ou motor à combustão, ambos

acoplados a um gerador elétrico.

Foram feitos contatos com três empresas do seguimento de geração de energia

por meio de Biogás. Uma que utiliza caldeira e duas que utilizam motor a combustão

para geração de energia elétrica.

Empresa de seguimento de geração por caldeiras: Mill caldeiras

http://www.mill.com.br/mill_caldeiras/geracao_energia.html

fone:(49)3221 6200

Empresa do seguimento de motor a combustão: Cummins do Brasil e Stemac

http://www.cumminspower.com.br/contactus/falecummins.asp

fone: 0800 7014701

http://www.stemac.com.br/default.asp?ididioma=1

fone (11) 2139-2625. Valter

A geração de energia elétrica utilizando uma caldeira para mover o gerador, é

um sistema bastante eficiente e de alto rendimento, possui pouco atrito entre as partes

mecânicas móveis. No entanto o sistema é mais caro para ser implantado e com custo

operacional e de manutenção mais elevado.

Comercialmente as caldeiras são mais empregadas para geração em média e

larga escala, como o nosso sistema será de micro geração o mais viável é o motor à

combustão, que possui gerador a partir de 7,5KVA.

Foi feito um novo contato com a empresa Stemac, com o Gerente de Negócios

Alcides Kondo, da filial de São Paulo, para saber quanto de energia elétrica poderia ser

gerado com o biogás do ETE, porem isso não é algo que possa ser calculado, apenas

com a quantidade de metros cúbicos de biogás gerado, não existe uma tabela ou formula

especifica para saber quantos KVA poder ser gerado com um metro cúbico de biogás.

Por experiências de projetos anteriores é bem provável que o gerador que atenda nossas

necessidades seja um de 25KVA, por nosso sistema não ser muito rico em Metano. Para

um cálculo preciso tem que ser feita uma análise laboratorial do Biogás para sabermos a

porcentagem de metano que compõe o Biogás.

6. Captação e armazenamento do biogás

O Biogás já é captado nos Reatores Metanogênicos e conduzido por tubulações até um

sistema de lavagem de gás e depois de lavado é enviado ao Flare para ser queimado. O

gás carbônico produzido pela queima do biogás é prejudicial e causador do efeito estufa,

mas em proporções 20 vezes menores que o metano sendo liberado diretamente na

atmosfera.

Será feito um desvio na tubulação depois do medidor de vazão e antes de chegar

ao Flare para conduzir o Biogás até o reservatório, onde será armazenado para

posteriormente ser utilizada no motor do gerador, como a produção de Biogás varia

entre 12 e 17 metros cúbicos sem o reservatório o gerador de energia teria que ser

projetado para a menor vazão. A instalação do reservatório possibilita um fornecimento

continuo para o motor do gerador independente das flutuações na produção, utilizando

todo o Biogás gerado no processo.

7. Tratamento do biogás

Dos gases que compõem o biogás, o gás carbônico e o gás sulfídrico e deve receber

atenção especial. São considerados como o principal problema na viabilização de seu

armazenamento e na produção de energia, interferindo principalmente na qualidade do

biogás, acarretando problemas de corrosão no sistema de condução do biogás até sua

transformação como fonte de energia elétrica ou térmica, necessitando de processos de

tratamento (MAGALHÃES, 1986).

O biogás recebera um tratamento por meio de filtros para retirar estes elementos

que são extremamente agressivos ao motor do gerador

8. Funcionamento do processo

Uma das vantagens do sistema é aproveitar uma fonte de energia que hoje é jogada fora.

No tanque reservatório de Biogás serão instalados três sensores pressostato, que

trabalham com pressões de atuação diferente, o primeiro de baixa pressão, indica

pressão mínima de funcionamento, o segundo para pressão intermediária e o terceiro de

alta pressão, que habilita o gerador para trabalhar em plena capacidade.

O gerador aumenta sua capacidade de acordo com a carga instalada, maior carga

instalada maior capacidade de geração, menor carga instalada menor capacidade de

geração, isso dentro das limitações físicas do gerador, por consequência temos a

variação do consumo do Biogás que alimenta o motor do gerador.

Para que nosso sistema possa consumir todo Biogás gerado, precisamos do

resultado do teste laboratorial, com a confirmação da porcentagem de Metano na

composição do Biogás, com esses dados podemos determinar a potencia do gerador que

será instalado, se for confirmado que o gerador indicado é de 25 KVA o que é bem

provável segundo o senhor Alcides Kondo Gerente de Negócios da empresa Stemac,

optaremos por um gerador maior, de 30 KVA ao invés 25 KVA. Isso para que possamos

trabalhar com duas cargas, uma carga constante de 18,75 KVA, dessa maneira o Biogás

gerado no processo não será consumido totalmente, sendo que o biogás não consumido

no motor do gerador é armazenado no tanque reservatório, o acumulo do Biogás

excedente fará com que a pressão do tanque aumente, até acionar o pressostato de alta,

ligando uma segunda carga ao gerador de 9,37 KVA, isso fará com que o consumo de

Biogás pelo motor do Gerador seja maior do que gerado pelo processo, fazendo com a

pressão do tanque reservatório diminua. Essa carga permanecerá ligada ao gerador ate

que seja acionado o pressostato de pressão intermediária, tirando a carga de 9,37 KVA

do gerador e colocando novamente quando for acionado o pressostato de alta pressão.

Podemos ligar vários tipos de cargas ao gerador como um sistema de

iluminação, ar condicionado e motores de varias capacidades, o importante é que carga

instalada não ultrapasse a capacidade de geração de energia do Gerador. As cargas que

serão instaladas no Gerador são duas bombas uma de 15 kW, bomba de envio e outra de

7,5 KW, bomba de recirculação, os motores das bombas são de 2 pólos do fabricante

WEG, para convertemos KW em KVA adotaremos por segurança um fator de potencia

de 0,8 para os dois motores, o valor de tabela do fabricante é 0,88 para o fator de

potencia desses motores. Aplicando a formula temos 18,75 KVA e 9,37 KVA, com uma

potencia total de 28,12 KVA para os dois motores.

O conceito será aplicado mesmo que gerador indicado não seja o de 25 KVA, o

principio de funcionamento é aumentar a carga do gerador quando o volume de Biogás

armazenado for alto e retirar carga quando esse volume abaixar.

As operações são realizadas através de um sistema de automação em malha

fechada. Este controle de processo tem a finalidade de reajustar ou corrigir a saída, de

modo a formar um ciclo contínuo.

No controle em malha fechada, informações sobre como a saída de controle está

evoluindo são utilizadas para determinar o sinal de controle que deve ser aplicado ao

processo em um instante específico. Isto é feito a partir de uma realimentação da saída

para a entrada. Em geral, a fim de tornar o sistema mais preciso e de fazer com que ele

reaja a perturbações externas, o sinal de saída é comparado com um sinal de referência

(chamado no jargão industrial de set-point) e o desvio (erro) entre estes dois sinais é

utilizado para determinar o sinal de controle que deve efetivamente ser aplicado ao

processo. Assim, o sinal de controle é determinado de forma a corrigir este desvio entre

a saída e o sinal de referência (Controle em Malha Fechada, 2000).

Figura 4. Sistema de Malha Fechada.

Fonte: Aula nº 01 – Intro Instrumentação & Controle, (2012).

9. Geração e automação

O leiaute da ETE possibilita que seja instalado o Gerador próximo aos painéis elétricos

facilitando a utilização da energia gerada, além de ser um sistema totalmente

automatizado não tendo custo com mão de obra para operação, também possibilita a

utilização de todo Biogás gerado através de um sistema de automação e controle.

Utilizando-se para isso de elementos sensores, elementos atuadores, sistemas de

controle (CLP), Sistemas de Supervisão e outros métodos que utilizem os recursos da

elétrica, eletrônica, da mecânica e da informática.

A automação será realizada por meio dos CPLs e Sistema Supervisório já

existentes na estação, e os painéis elétricos possuem espaço físico suficiente para

instalação de novos componentes que serão utilizados no processo de automação. A

ETE possui dois CLPs um Mitsubishi, modelo MEL SEC FX1N-14MT e um ALLEN-

BRADLEY SLC500 modelo 5/05, no processo de automação será utilizando o CLP da

ALLEN-BRADLEY que tem entradas e saídas digitais reservas e slot vazio em seu rack

o que possibilita expandir o numero de entradas ou saídas, digitais ou analógicas, com a

instalação de novos cartões, no nosso caso será utilizado apenas sinais digitais para

entrada e saída de informações.

Figura 5. CLPs.

Fonte: Dados Primários (2012).

10. Chaveamento dos motores.

A automação fará o chaveamento das bombas entre a rede elétrica da Concessionária de

Energia e a rede elétrica do Gerador, a transição entre os dois sistemas será feita por

contatores, sendo que sempre será retirada uma rede elétrica e após 0,5 segundos será

colocada a outra rede, por segurança além do controle do sistema de automação será

feito o intertravamento elétrico nos próprios contatores.

O chaveamento entre a Concessionária de Energia e Gerador tem que ser feita

obrigatoriamente com os motores já em plena carga, devido o fato do Gerador de

energia não ser dimensionado para suportar a corrente de partida dos motores.

A partida dos motores será realizada com motores ligados a rede elétrica da

Concessionária de Energia, da maneira como é feito hoje, só após o motor estar em seu

funcionamento nominal será realizado o chaveamento retirando a alimentação da

Concessionária e passando para o Gerador.

O chaveamento entre a Concessionária e o Gerador não será feito por

paralelismo por ser um sistema muito caro para ser implantado, e por se tratar de

motores o chaveamento com contatores atende as necessidades técnicas. Como o

sistema é trifásico é importante fazer com que as fases estejam no mesmo

sequenciamento, para não causar a reversão do motor.

11. Sistemas de segurança.

A ETE é um sistema vital para empresa, dessa forma é importante criar um processo o

mais confiável possível, para isso será implantado sistema de segurança em varias

partes do processo de automação.

No tanque reservatório de Biogás será instalada uma válvula de alivio, que é

atuada mecanicamente quando a pressão do reservatório atingir a pressão de segurança

do tanque, com um sistema complementar de programação LADDER que verifica a

pressão do tanque, quando for atuado o pressostato de alta pressão, será feita por meio

de sensor a verificação, se o gerador está em operação, se ocorrer à condição de pressão

alta no tanque e gerador estiver fora de operação é interrompido o envio de Biogás para

o reservatório e retomado o sistema atual onde é enviado ao Flare para queima.

A comutação entre a tubulação do Flare e o tanque reservatório será feita por

meio de atuador pneumático. O cilindro pneumático tem um sensor magnético em cada

extremidade, enviando assim um sinal de confirmação de posição para o CLP, dessa

maneira se o sinal de confirmação não ocorrer é gerado um alarme no Supervisório,

indicado que o atuador não está na posição correta.

Para verificar o funcionamento do gerador será utilizado um relê supervisor de

tensão, que monitora tensão máxima e mínima e falta de fase, com isso teremos a

confirmação que o gerador está em operação e que está trabalhando corretamente, só

após essa confirmação será feito o chaveamento da Concessionária para o Gerador e

caso ocorra alguma falha no gerador é feito novamente o chaveamento para

Concessionária de energia.

Para segurança da rede elétrica do gerador será instalado um disjuntor geral e um

disjuntor individual para cada bomba. A verificação de funcionamento de cada bomba

será feita por meio do rele auxiliar do disjuntor motor, o sistema atual tem essa

segurança para todos os motores da ETE, sendo que o alarme não é individual e sim por

setor, devido o grande número de motores no nosso sistema adotará o mesmo conceito,

os relês auxiliares das bombas serão ligados em série, dessa forma quando qualquer relê

atuar será gerado um alarme para o setor e não para a bomba específica, o que é

suficiente, pois na ocorrência do alarme o técnico de Qualidade solicitará a equipe de

manutenção para solução do problema.

12. Programação LADDER

A linguagem Ladder foi a primeira que surgiu na programação dos Controladores

Lógicos Programáveis (CLPs), pois sua funcionalidade procurava imitar os antigos

diagramas elétricos, utilizados pelos Técnicos e Engenheiros da época. O objetivo era o

de evitar uma quebra de paradigmas muito grande, permitindo assim a melhor aceitação

do produto no mercado.

O diagrama de contatos (Ladder) consiste em um desenho formado por duas

linhas verticais que representam os pólos positivo e negativo de uma bateria, ou fonte de

alimentação genérica. Entre as duas linhas verticais são desenhadas ramais horizontais

que possuem chaves. Estas podem ser normalmente abertas ou fechadas e representam

os estados das entradas do CLP. Dessa forma fica muito fácil passar um diagrama

elétrico para linguagem Ladder. Basta transformar as colunas em linhas (Automação

Industrial II, 2012).

Toda lógica de funcionamento para geração e utilização da energia será realizada

por meio de programação LADDER. Temos vários sinais de campo que serão enviados

para o CLP, que processa as informações adquiridas e de acordo com a lógica de

programação realiza uma ação.

Figura 6. Programação LADDER utilizado no projeto.

Fonte: Dados Primários (2012).

13. Funcionamento do sistema de geração e utilização de energia.

O elemento essencial para funcionamento do sistema é o Biogás, em quantidade

suficiente para alimentar o motor do gerador. O acionamento do pressostato de baixa

pressão, do tanque reservatório faz com que o CLP habilite uma saída, e por meio de

um contator acione o motor de partida do motor do gerador, no momento em que o

gerador entra em funcionamento é acionado um relê de falta de fase. Esse relê

supervisiona o comportamento das fases do gerador, se o relê detectar inconstância de

fase no sistema elétrico é comutada uma saída enviando um sinal para o CLP. É o sinal

de confirmação do relê falta de fase que permite que o CLP faça a comutação da

Concessionária de Energia para o Gerador, caso as bombas estejam sendo alimentadas

pelo e gerador e o rele de falta de fase atue o CLP realiza a comutação do Gerador para

Concessionária de Energia, isso para que o sistema de tratamento não sofra os impactos

de uma possível falha e envia um sinal de alarme para o Supervisório.

Mesmo com Gerador fora de funcionamento o Biogás continua sendo enviado ao

tanque reservatório até que pressostato de alta pressão seja atuado, enviando um sinal ao

CPL, nessas condições é atuado uma válvula pneumático desviando o fluxo do Biogás

para Flare do sistema atual, o fluxo só retornará ao tanque reservatório quando o

Gerador voltar a operar e o pressostato de pressão intermediária voltar para posição de

repouso. Dessa maneira será evitada pressão excessiva no tanque reservatório.

As bombas de transferência e recirculação entram em operação, sendo

alimentadas pela rede elétrica da Concessionária de Energia, a partir do momento que o

CLP receber a informação do rele falta de fase que o Gerador está operando em

condições adequadas é feito o chaveamento. O CLP retira o contator que está

alimentando a o motor da bomba de transferência pela Concessionária de Energia e em

seguida habilita o contator que está sendo alimentado pela rede elétrica do Gerador de

energia, o motor de 15 KW da bomba de transferência ficará conectada constantemente

a rede elétrica do Gerador sendo desconectado apenas se ocorrer algum problema no

sistema de geração.

O motor de 7,5 KW da bomba de recirculação será alimentado alternadamente

entre rede elétrica da Concessionária e Gerador. No momento que o pressostato de alta

pressão do tanque reservatório for atuado significa que temos uma quantidade de Biogás

armazenada suficiente para ligarmos o motor da bomba de recirculação na rede elétrica

do Gerador, o CLP realiza o chaveamento entre os contatores, retirando o contator da

rede elétrica da Concessionária e atuando o contator da rede elétrica do Gerador,

permanecendo até que volte para o estado de repouso o pressostato intermediário

indicando que o Biogás que tinha sido armazenado foi consumido pelo motor do

Gerado, nesse momento CLP realiza um novo chaveamento e o motor volta a ser

alimentado pela rede elétrica da Concessionária.

Por meio de contatos auxiliares acoplados ao contator de potencia, serão

enviados sinais ao CLP indicado quando as estão sendo alimentadas pelo Gerador, o

contato auxiliar do disjuntor motor tem a função de indicar falha na bomba. O CLP está

programado para realizar o chaveamento para rede elétrica da Concessionária e

simultaneamente enviar para o sistema Supervisório a ocorrência da falha, o Técnico de

qualidade também pode visualizar se o Gerador está com o funcionamento adequado e

verificar quando a bomba está conectada a rede elétrica do Gerador. Por ser cabo de

comunicação o CPL pode enviar uma serie de informação sem ocupar saídas do CLP e

cabos adicionais, devido o fato de todas as informações serem enviadas e recebidas em

um único cabo de comunicação.

14. Considerações finais.

O projeto possibilita para a Empresa vantagens no aspecto econômico e ambiental. A

Empresa precisa atingir metas de consumo de energia. No âmbito econômico o retorno

do investimento econômico em poucos meses.

Tabela 1: Custos dos materiais empregados no projeto

Componente Quantidade Custo total

Gerador elétrico 30KVA 1 R$ 27.500,00

Tanque reservatório de Biogás 1 R$ 3.800,00

Rele supervisor de tensão 1 R$ 160,00

Cartão de saída digital CLP 1 R$ 1.850,00

Pressostato 3 R$ 210,00

Contator de potência 2 R$ 180,00

Disjuntor-motor 2 R$ 290,00

Disjuntor geral 1 R$ 50,00

Contato auxiliar 6 R$ 70,00

Cabo 1,5 mm 100 mts R$ 35,00

Cabo 16 mm 200 mts R$ 900,00

Válvula pneumática 5/2 vias 1 R$ 110,00

Sensor indutivo para pistão 2 R$ 90,00

Tubulação 4” 40 mts R$ 400,00

Atuador pneumático 1 R$ 140,00

Lavador de gases 1 R$ 2.900,00

Despesas Totais R$ 38.685,00

Fonte: Dados Primários (2012)

Tabela 2: Custos da mão de obra empregada no projeto

Descrição da mão de obra Custo

Montagem física dos componentes R$ 900,00

Montagem painel elétrico R$ 600,00

Programação CPL R$ 800,00

Programação supervisores R$ 700,00

Montagem mecânica R$ 1.000,00

Despesas Totais R$ 4.400,00

Fonte: Dados Primários (2012)

Valor total para implantação do projeto R$ 43.085,00

Retorno financeiro

Geração média de 25 KVA/h, adotado para o projeto um fator de potencia de 0,8

tem a média de 20 KW/h. O gerador trabalha 24 horas por dia, 30 dias por mês.

O valor do KW/h é de 0,22 centavos, tarifa normal fora do horário de ponta e

0,96 centavos, dentro do horário de ponta. O horário de ponta é das 18:00 até as 21:00

horas. Dessa forma teremos 21 horas de tarifa normal e 3 horas de tarifa de horário de

ponta.

Então temos:

Fora do horário de ponta.

0,22 (centavos) x 20 (kW/h) = R$ 4,40 x 21 (horas por dia) = R$ 92,40

Dentro do horário de ponta.

0,96 (centavos) x 20 (KW/h)= R$19,20 x 3 (horas por dia) = R$ 57,60

Valor diário.

R$ 92,40 + 57,60 = R$ 150,00

Valor mensal.

R$ 150,00 x 30 (dias) = R$ 4.500,00

Em apenas 10 meses, com a economia feita na conta de energia elétrica paga o

investimento feito.

Para demonstrar o conceito do projeto será feito uso de um protótipo, onde é

simulado parte do funcionamento do sistema, será dado ênfase a utilização de um CLP

para automação e o chaveamento entre a rede elétrica da Concessionária e Gerador. Não

será possível realizar a geração de energia por meio de Biogás, será utilizado um

gerador elétrico movido com um motor à combustão alimentado com gasolina.

Serão utilizados dois motores elétricos, que em um primeiro momento serão

alimentados pela rede elétrica da Concessionária e em seguida será feito o chaveamento

para o Gerador elétrico. Para controle entre as duas redes elétricas serão utilizadas um

CLP.

Utilizaremos ar comprimido para simular o Biogás, em um reservatório plástico,

onde temos dois pressostatos, com pressões de atuação diferente, um de baixa e outro de

alta pressão. É utilizado um temporizador do CLP para a função do pressostato

intermediário, sendo assim quando for atuado o pressostato de pressão mínima o CPL

habilita o funcionamento do Gerador elétrico em seguida será retirado o primeiro motor

da rede elétrica da Concessionária e inserido na rede elétrica do gerador, após ser atuado

o pressostato de alta o segundo motor será retirado da rede elétrica da Concessionária e

inserido n a rede elétrica do gerador.

No momento que o segundo motor entra em funcionamento pela rede elétrica do

gerador é acionado o temporizador do CPL, que tem a função de simular o tempo em

que seria atado o pressostato intermediário, que não possuímos no protótipo.

Para verificação do correto funcionamento do Gerador elétrico é feito por meio

de rele, só após o CLP receber essa confirmação será feito o chaveamento.

Esse conceito de geração e utilização de energia elétrica pode ser empregado nos

mais diversos sistemas como aterros sanitários, fazendas de criação de gado, suínos,

granjas, indústrias ou qualquer outro meio onde tenha a decomposição de matéria

orgânica.

15. Referências

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