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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA – UFSC
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA – EEL CENTRO TECNOLÓGICO – CTC
CAMPUS UNIVERSITÁRIO - TRINDADE - CEP 88040-900 FLORIANÓPOLIS- SANTA CATARINA
Geração combinada utilizando turbinas a gás e a ciclo orgânico de Rankine para uso do biogás gerado em propriedades rurais.
Monografia submetida à Universidade Federal de Santa Catarina
como requisito para a aprovação da disciplina:
EEL7890 –Projeto Final
Acadêmico: Guilherme Ferreira Mendes
Orientador: Prof. Dr. Cornélio Celso de Brasil Camargo
Florianópolis, Junho de 2012.
i
Geração combinada utilizando turbinas a gás e a ciclo orgânico de Rankine para uso do biogás gerado em
propriedades rurais.
Guilherme Ferreira Mendes
Esta monografia foi julgada no contexto da disciplina EEL 7890: Projeto Final
Banca Examinadora: Prof. Walter Pereira Carpes Junior
Prof. Roberto de Souza Salgado
__________________________ Prof. Cornélio Celso de Brasil Camargo, Dr. Eng.
Orientador do Curso de Engenharia Elétrica
ii
Resumo
Em um mundo onde a geração de energia elétrica está cada vez mais
dificultada, novas medidas devem ser tomadas para evitar um colapso futuro no
abastecimento energético brasileiro. A geração hoje já não é tão fácil como
antigamente, pois novas preocupações tomam a consciência da população.
Precisamos de energia elétrica, mas não podemos destruir o meio-ambiente. Uma
nova era está surgindo, a era da energia limpa ou como outros preferem chamá-la,
energia renovável.
Uma destas fontes renováveis de geração é o biogás. Este combustível para
produção de energia está começando a ganhar espaço no cenário brasileiro como
uma possível solução para os problemas do lixo orgânico nos grande aterros
sanitários, para alavancar a geração distribuída em regiões rurais ou como um
grande potencial energético a ser explorado em suas diversas formas de obtenção
para auxiliar na demanda crescente de energia elétrica.
Uma das fontes mais promissoras para obtenção de biogás é o meio rural,
pois existem muitas possibilidades de geração deste gás através de rejeitos
orgânicos existentes na propriedade, tais como excremento de animais, restos de
cozinha, silagem, entre outros.
Diante das diversas maneiras de converter o biogás em energia elétrica,
temos como um dos menos poluentes aquele via turbina a gás, com possibilidade de
geração adicional através de uma turbina a vapor operando em ciclo orgânico de
Rankine. Este ciclo ainda é pouco utilizado no mundo, porém representa um
potencial gigantesco para a geração através do aproveitamento de fontes de calor
de baixa temperatura, como por exemplo, calor de exaustão.
A geração de energia poderá tornar independente, do ponto de vista
energético, o produtor, com possibilidade da venda de excedente para a
concessionária local. Um fato interessante da geração do biogás, é que tudo se
aproveita, trazendo mais fontes de renda para a propriedade geradora.
iii
Neste trabalho será descrito o estudo de potencial energético de uma
propriedade rural a partir do biogás gerado por digestão de silagem e excrementos
de suínos.
iv
Sumário
Conteúdo
Resumo ............................................................................................................ ii
Sumário ........................................................................................................... iv
Simbologia ....................................................................................................... vi
Capítulo 1: Introdução ...................................................................................... 1
1.1: Objetivo .................................................................................................. 1
1.2: Justificativa............................................................................................. 1
1.3: Metodologia............................................................................................ 2
Capítulo 2: Cogeração ...................................................................................... 3
2.1: Energia elétrica ...................................................................................... 4
2.1.1: Turbinas a gás ................................................................................. 4
2.1.2: Turbinas a vapor .............................................................................. 6
2.1.3: Ciclo Combinado ............................................................................. 8
2.2: Ciclos térmicos de potência. .................................................................. 9
2.2.1: Ciclo de Rankine ............................................................................. 9
2.2.2: Ciclo Brayton ................................................................................. 14
Capítulo 3: Biogás .......................................................................................... 17
3.1: Biodigestor ........................................................................................... 17
3.1.1: Modelo Indiano .............................................................................. 18
3.1.2: Modelo Chinês ............................................................................... 19
3.1.3: Modelo Marinha Brasileira ............................................................. 21
3.1.4: Modelo Batelada ............................................................................ 22
3.2: Substrato .............................................................................................. 22
3.3: Componentes típicos do biogás ........................................................... 23
3.4: Biofertilizante........................................................................................ 24
v
Capítulo 4: Mecanismo de desenvolvimento limpo. ........................................ 26
Capítulo 5: Estudo do potencial energético de uma propriedade de
suinocultura em Santa Catarina. ............................................................................... 28
5.1: Cálculo da quantidade de biogás. ........................................................ 28
5.2: Geração principal de energia elétrica ................................................... 29
5.3: Cálculo da geração em ciclo combinado. ............................................. 31
5.4: Dimensionamento do biodigestor ......................................................... 32
5.5: Custos .................................................................................................. 33
5.6: Retorno do investimento. ..................................................................... 35
5.6.1: Venda de energia elétrica .............................................................. 35
5.6.2: Venda da produção de biofertilizante. ........................................... 37
5.6.3: Mercado de carbono. ..................................................................... 39
5.6.4: Valor presente líquido. ................................................................... 40
Capítulo 6: Conclusão .................................................................................... 43
vi
Simbologia
kW – Quilo watt.
ton – Tonelada.
°C – Graus celsius.
kg- Quilo grama.
s – Segundos.
K – Kelvin.
m³ - Metro cúbico.
h – Hora.
kWh – Quilo watt hora.
MWh – Mega watt hora.
atm – Atmosfera.
L – Litro.
MJ – Mega Joule.
cal – Caloria.
1
Capítulo 1: Introdução
A crescente demanda energética no Brasil preocupa cada vez mais os
setores de geração de energia elétrica que afirmam que o país pode passar na
próxima década por um colapso energético. O crescimento do setor industrial, aliado
à demanda do setor residencial, implicará em um grande aumento na demanda de
energia elétrica, que em alguns anos superará a matriz energética existente no
Brasil, colocando em risco o sistema de geração nacional.
1.1: Objetivo
O presente trabalho tem como objetivo a análise e estudo de viabilidade
econômica da cogeração de energia de uma planta de biogás fictícia utilizando
turbina a gás para geração principal e turbina operando a ciclo orgânico de Rankine
para cogeração assim como a descrição dos equipamentos utilizados, dos ciclos
existentes no processo e os benefícios que este sistema pode trazer a
empreendimentos, com foco no aproveitamento de restos orgânicos.
1.2: Justificativa
Nos dias de hoje, é visível a dificuldade para a construção de usinas de
grande porte no Brasil devido principalmente a questões ambientais e geográficas. O
mundo atual está cada vez mais convergindo para um sistema de geração de
energia descentralizado, sendo para o Brasil muito interessante adotar cada vez
mais projetos e iniciativas com esse aspecto, pois são usinas que não agridem de
forma impactante o meio ambiente e sua variedade pode ser empregada em
praticamente qualquer região do país. No Brasil, um problema muito comum nos
centros urbanos é o despejo inadequado de lixo orgânico, sendo este muitas vezes
depositado a céu aberto sem o devido tratamento. Aliando este problema ao
problema energético, podemos ter como possível solução a produção de biogás. O
biogás possui inúmeras aplicações, como geração de energia, combustível
automotivo, possibilidade de ser purificado ao nível de biometano para abastecer a
2
rede nacional de gás natural, além do rejeito de sua produção ser um adubo
altamente enriquecido (biofertilizante).
1.3: Metodologia
Através de estudos, pesquisas e práticas durante estágios realizados, foi
possível levantar dados para a formulação da viabilidade econômico-financeira de
sistemas de cogeração a biogás. Um modelo foi implementado em Excel para
cálculo da capacidade de produção de biogás utilizando diversos tipos de rejeitos
orgânicos, permitindo obter facilmente a quantidade de metano existente no total do
biogás e consequentemente a quantidade de energia que será possível gerar
primariamente. Tendo em mãos a quantidade de combustível disponível para
geração, será feita a análise da melhor forma de convertê-lo em energia elétrica.
Para a geração secundária, analisaremos a quantidade de rejeitos a alta
temperatura que poderão ser aproveitados e como isso será feito.
3
Capítulo 2: Cogeração
A cogeração é definida pela produção simultânea de diferentes formas de
energia útil, destacando-se entre elas as energias elétrica e térmica, para suprir um
processo, seja ele do setor industrial, agrícola, terciário ou mesmo de um sistema
isolado, a partir de uma mesma fonte de energia primária. De uma maneira mais
ampla, é o aproveitamento de uma quantidade de energia que seria rejeitada pelo
processo, em concordância com a Segunda Lei da Termodinâmica, o que aumenta a
eficiência global do ciclo térmico. (BALESTIERI, 2002, p. 22)
De acordo com BRASIL (2005), a cogeração é um processo que pode
viabilizar economicamente a autoprodução de energia. No Brasil, é mais comum a
geração adicional de energia elétrica (ciclo combinado) a partir da energia térmica
contida nos gases de exaustão e fluidos de refrigeração do sistema (rejeitos
térmicos) utilizada na geração de energia elétrica principal, como simplificado na
Figura 1. As principais motivações para a implantação de um sistema de ciclo
combinado são autossuficiência energética e venda do excedente de energia
produzida.
Figura 1: Diagrama de cogeração em ciclo combinado simplificado.
Existem hoje variados tipos de acionamentos empregados às centrais de co-
geração em ciclo combinado, como a turbina a vapor, turbina a gás, motor e suas
combinações. Já a cogeração propriamente dita pode ser classificada em dois ciclos,
Topping ou Bottoming. (BALESTIERI, 2002, p. 38)
Em um ciclo Topping, primeiro é aproveitada a geração de energia mecânica
e depois a recuperação do calor residual para a geração de vapor. Em um ciclo
Bottoming, primeiro é gerada energia térmica, geralmente vapor em alta pressão e
alta temperatura, e depois as outras formas de energia. (BALESTIERI, 2002, p. 38)
4
Os setores considerados promissores para a instalação de um sistema de co-
geração apresentam geralmente como característica, razoável potência instalada por
unidade de consumo, elevados fatores de carga, considerável demanda de energia
térmica e abundância de matéria-prima para geração. (BALESTIERI, 2002, p. 38)
2.1: Energia elétrica
2.1.1: Turbinas a gás
A turbina a gás não é uma máquina isolada, mas sim composta por uma
combinação de elementos geralmente construídos de forma compacta: são eles o
compressor, câmara de combustão e turbina. Na câmara de combustão podem ser
utilizados como combustível, óleo desmineralizado, gás natural, gases originados em
processos de gaseificação do carvão e biogás (BALESTIERI, 2002, p. 102).
As turbinas a gás podem operar de duas maneiras diferentes, ciclo aberto e
ciclo fechado. Na Figura 2, temos o esquemático de operação em ciclo aberto.
Nesse tipo de configuração, o ar entra no compressor (1) e passa para a câmara de
combustão (2). Nesse ponto, o combustível é queimado continuamente sempre sob
pressão constante. Os gases em alta temperatura são expandidos na turbina, que
além de acionar o compressor, gera também potência para um gerador (3). Em ciclo
aberto, os gases de exaustão (4) não são aproveitados, sendo liberados para
atmosfera. No ciclo fechado, os processos de compressão e expansão continuam os
mesmos; a mudança está na combustão. A queima do combustível ocorre
externamente à turbina e por meio de um trocador de calor a energia de combustão
é entregue ao gás de trabalho, que será expandido na turbina, como é
esquematizado na Figura 3. Nesta configuração, os fluidos de exaustão
permanecem no sistema, sendo normalmente reaproveitados para geração
combinada. (LANE, p. 3)
A tecnologia das turbinas a gás é excelente para atendimento a picos de
cargas pois possuem um curto tempo de partida e baixo custo de investimento do
ciclo simples. Para os tempos modernos, um ponto forte da turbina a gás é sua baixa
emissão de NOx, uma vez que as legislações ambientais estão cada vez mais
rígidas. (BALESTIERI, 2002, p. 102)
5
Figura 2 – Esquemático de turbina a gás em ciclo aberto. (SINGH, 2009)
Figura 3 - Esquemático de turbina a gás em ciclo fechado. (SINGH, 2009)
Figura 4 – Concepção gráfica de turbina a gás. (GE LM25000 Gas Turbine).
6
2.1.2: Turbinas a vapor
Turbinas a vapor são usadas para converter a energia térmica contida no
vapor em energia mecânica. Se a turbina alimentar um gerador, a energia mecânica
gerada será convertida, no seu último estágio, em energia elétrica. A turbina a vapor,
propriamente dita, é uma máquina muito simples, com poucas partes móveis. Isto é
proferível para aumentar a confiança no equipamento. É muito comum para uma
turbina a vapor funcionar por mais de 1 ano sem ser desligada. (HPC Technical
Services, 1999, p.29)
A turbina a vapor possui basicamente bocal e anel com lâminas que se
movem em um eixo chamado rotor. O movimento do eixo depende unicamente da
ação dinâmica do vapor. Conforme a Figura 5, o vapor é injetado através dos bocais
sobre os anéis de lâminas móveis. A energia térmica do vapor é parcialmente
convertida em energia cinética devido à queda da pressão estática no bocal. Vapor
em alta velocidade passa através do bocal e entra nas lâminas móveis, mudando a
direção do fluxo de vapor da entrada para sair. Esta mudança de direção de fluxo
provoca variação no momento, o que resulta em força dinâmica que atua como
condutor de impulso para rotação do eixo. (SINGH, 2009, p.612)
As turbinas a vapor possuem como característica de operação a utilização de
vapor a alta pressão e alta temperatura. Essas turbinas se dividem em quatro
classificações, de acordo com a aplicação da turbina. A primeira, chamada de
turbina a vapor de condensação, é aquela em que todo o vapor de exaustão é
direcionado para um condensador. Esse tipo de turbina permite a recirculação do
condensado que sai do condensador. Outro ponto é que a pressão no fim da
expansão pode ser reduzida a valores muito abaixo da pressão atmosférica, já que o
rejeito de vapor expandido é direcionado para o condensador onde o vácuo é
mantido. Este tipo de turbina é muito utilizado em termelétricas. (SINGH, 2009,
p.618)
A segunda é a Turbina a vapor de não condensação. Neste tipo de turbina a
vapor, o rejeito da turbina é liberado para a atmosfera sem ser reutilizado.(SINGH,
2009, p.618)
Outro tipo é a turbina a vapor de contrapressão, em que os rejeitos de vapor
deixam a turbina em uma pressão muito superior a atmosférica. Esses rejeitos em
7
alta pressão podem ser utilizados para diversos propósitos, como aquecimento e
para alimentar pequenas turbinas a vapor de condensação.(SINGH, 2009, p.618)
O quarto tipo é chamado de turbina de extração a vapor. Neste tipo de
turbina, certa quantidade de vapor é continuamente extraída para fins de
aquecimento, sendo que o restante do vapor continua o processo para manter a
turbina funcionando. Em turbinas de extração a vapor, é necessário que haja uma
válvula de controle de pressão e uma engrenagem de controle para que seja
possível manter a velocidade do rotor e a pressão de vapor constantes,
independente da variação de potência ou da demanda térmica.(SINGH, 2009, p.618)
Figura 5 – Esquemático de turbina a vapor acoplada a um gerador.
(Disponível em: <http://geothermal.marin.org/geopresentation/sld038.htm>. Acesso
em: 25/03/2012)
Figura6 – Turbina a vapor Siemens. (Disponível em:
<http://www.siemens.com/press/en/presspicture/?pre
ss=/en/pp_pg/2007/pg200711008-01.htm>. Acesso
em: 25/03/2012)
8
Figura 7 – Turbina a vapor de condensação. (SINGH, 2009, p.618)
Figura 8 – Turbina a vapor de não condensação. (SINGH, 2009, p.618)
2.1.3: Ciclo Combinado
O ciclo combinado é resultado do emprego de mais de um ciclo térmico de
potência, geralmente Brayton-Rankine. As características da turbina a gás e da
turbina a vapor tornão o acoplamento entre elas muito eficaz. Em um ciclo
combinado (utilização de turbina a gás e a vapor), a alimentação da caldeira da
turbina a vapor é realizada pelos gases de exaustão da turbina a gás. Esse
acoplamento resulta na termelétrica mais eficiente em relação à potência gerada por
combustível queimado. (VENES, 2009)
9
2.2: Ciclos térmicos de potência.
Em todos os ciclos termodinâmicos existe uma substância chamada de fluido
de trabalho, que tem como principal objetivo transformar calor em trabalho. Uma
instalação térmica a vapor possui geralmente quatro elementos fundamentais, onde
ocorrem as transformações do fluido de trabalho. A caldeira, onde geralmente a
substância de trabalho é a água, recebe calor de uma fonte quente transformando
essa água em vapor. A turbina, onde o vapor que veio da caldeira expande-se,
desde a alta pressão da caldeira até a baixa pressão do condensador, realizando um
trabalho de acionamento de uma máquina, o gerador elétrico. A bomba de água de
alimentação da caldeira, que eleva a pressão do condensador para reinjeção na
caldeira, onde o condensado será novamente transformado em vapor, reiniciando o
ciclo. (CARVALHO, 2002, p.19)
Todos os ciclos de potência térmicos são baseados no ciclo de Carnot. Este
ciclo é baseado em quatro processos e proporciona o rendimento máximo de 100%
para uma máquina térmica, consistindo em 2 transformações adiabáticas e duas
isotérmicas, conforme a Figura 9. (CARVALHO, 2002, p.15)
Figura 9: Ciclo de Carnot. (CARVALHO, 2002, p.16)
2.2.1: Ciclo de Rankine
Vamos primeiramente considerar um ciclo baseado em quatro processos que
ocorrem em regime permanente (Figura 10). Observando a Figura 10, vamos admitir
que o estado 1 seja líquido saturado e que o estado 3 seja vapor superaquecido.
Este é o ciclo de Rankine e é o ideal para unidades motoras simples a vapor.
10
Através do gráfico T-s, apresentado na Figura 11 , podemos determinar os
processos envolvidos no ciclo:
1-2 – Bomba: Processo reversível adiabático.
2-3 – Caldeira: Transferência de calor a pressão constante.
3-4 – Turbina: Expansão adiabática reversível.
4-1 – Condensador: Transferência de calor a pressão constante. (VAN
WYLEN, et al., 1997, p.259)
Figura 10 - Ciclo termodinâmico baseado em 4 processos. (VAN WYLEN, et
al., 1997, p.258)
Figura 11 – Unidade motora simples a vapor que opera segundo ciclo de
Rankine. (VAN WYLEN, et al., 1997, p.260)
Devemos considerar ao analisar o ciclo de Rankine que o rendimento
depende da temperatura média de fornecimento e rejeição de calor, ou seja,
11
qualquer variação que aumente a temperatura média na qual o calor é fornecido ou
que reduza a temperatura média do calor rejeitado aumenta o rendimento. (VAN
WYLEN, et al., 1997, p.259)
� =����������� − ������� ��
�����������
η - Rendimento
q – Calor (Joules)
Outro fator importante a ser considerado é a pressão no fornecimento de
calor, pois este é diretamente proporcional ao rendimento. Entretanto, ao aumentar
esta pressão, também é aumentado o teor de umidade do vapor nos estágios de
baixa pressão da turbina (o que pode causar danos por cavitação). Por este motivo,
foi desenvolvido o ciclo com reaquecimento, que tira vantagem do maior rendimento
por aumento de pressão evitando que os níveis de umidade alcancem valores
excessivos nos estágios de baixa pressão da turbina. A característica única deste
ciclo é que possui um estágio inicial onde o vapor se expande até uma pressão
intermediária na turbina. O vapor é então reaquecido na caldeira e novamente se
expande na turbina até a pressão de saída. Apesar da diminuição no teor de
umidade no vapor, este ciclo apresenta um ganho muito pequeno no rendimento
final do sistema. Um esquemático do ciclo com reaquecimento é mostrado na Figura
12. (VAN WYLEN, et al., 1997, p.264)
Figura 12: Ciclo com reaquecimento. (VAN WYLEN, et al., 1997, p.264)
12
Uma outra variação muito importante do ciclo de Rankine é o ciclo
regenerativo, que envolve a utilização de aquecedores da água de alimentação.
Analisando inicialmente um ciclo regenerativo ideal (Figura 13), este apresenta como
aspecto único, quando comparado com o ciclo de Rankine, a circulação do líquido
que deixa a bomba ao redor da carcaça da turbina em sentido contrário ao do vapor
na turbina. Desta forma, é possível a transferência de calor do vapor, enquanto este
escoa na turbina, para o líquido que escoa na periferia da turbina. A análise gráfica
do diagrama T-s deste ciclo nos dará um rendimento idêntico ao do ciclo de Carnot.
Logo, podemos concluir que este ciclo não é implementável na prática.
Primeiramente não seria possível realizar a transferência de calor necessária do
vapor na turbina para a água de alimentação. Outra ponto falho é o fato da umidade
do vapor que deixa a turbina aumentar consideravelmente, gerando um aspecto
muito indesejado para o sistema. (VAN WYLEN, et al., 1997, p.267)
Figura 13: Ciclo regenerativo ideal. (VAN WYLEN, et al., 1997, p.267)
Para contornar os problemas, o ciclo regenerativo real (Figura 14) extrai
apenas uma parte do vapor que escoa na turbina, após ter sido parcialmente
expandido, e faz-se utilização de aquecedores de água de alimentação. (VAN
WYLEN, et al., 1997, p.267)
13
Figura 14: Ciclo regenerativo real. (VAN WYLEN, et al., 1997, p.267)
Em centrais térmicas, é muito comum a utilização de vários estágios de
extração. Evidentemente que a utilização de um grande número de estágios de
extração aproxima o ciclo regenerativo real do ideal, porém, normalmente nunca são
utilizados mais do que 5 estágios de extração, uma vez que a implantação destes é
determinada por consideração econômicas. Na Figura 14 podemos observar o
esquema de uma central térmica real. Podemos observar que um dos aquecedores
de água de alimentação de mistura é um aquecedor de água de alimentação
desaerador. Este equipamento apresenta duas funções: aquecimento e remoção de
ar da água de alimentação. Outro ponto a ser observado é que o condensado dos
aquecedores de alta pressão escoa, através de um purgador (aparelho que permite
o líquido, e não o vapor, escoar para uma região de pressão inferior) para um
aquecedor intermediário, então o condensado do aquecedor intermediário é drenado
para o aquecedor desaerador e o condensado do aquecedor de baixa pressão drena
para o condensador. (VAN WYLEN, et al., 1997, p.271)
14
Figura 15: Central térmica. (VAN WYLEN, et al., 1997, p.270)
2.2.1.1.1: Ciclo orgânico de Rankine
O ciclo orgânico de Rankine (ORC em inglês) é basicamente o mesmo ciclo
descrito anteriormente, porém neste é utilizado um fluido orgânico (como por
exemplo n-pentano e tolueno) como fluido de trabalho, em vez de água e vapor.
Desta forma é possível o uso de calor com baixa temperatura, dadas as
propriedades térmicas dos fluídos de trabalho. Trabalhar em baixas temperaturas
também implica em menor eficiência, mas isso pode valer a pena, em decorrência
do baixo custo em obter calor de baixa temperatura. (QUOILIN, 2008) (ŞANLISOY,
2011)
Na indústria, 50% do calor gerado é, de forma geral, calor de baixa
temperatura. O calor com temperatura abaixo de 370ºC é considerado calor de
temperatura moderada/baixa, sendo muito relevante para unidades geradoras a
vapor em ciclo de Rankine. Como existe uma ampla quantidade de fluidos orgânicos
que podem ser utilizados, o ORC tem a vantagem de operar com boa eficiência em
uma grande faixa de temperatura (120ºC – 370ºC). (ŞANLISOY, 2011)
2.2.2: Ciclo Brayton
Denominamos ciclo de Brayton quando o fluido de trabalho não apresenta
mudança de fase (está sempre na fase vapor). Este é o ciclo ideal para as turbinas a
15
gás simples, que foram mostradas nas Figuras Figura 2 e Figura 3. Os diagramas T-
s e P-v são mostrados na Figura 16. O rendimento deste ciclo é dado pela equação
apresentada a seguir:
��é ���� = 1 −��
��
Figura 16 – Diagramas do ciclo Brayton. (VAN WYLEN, et al., 1997, p.276)
A turbina a gás ideal difere da real, geralmente, em decorrência de processos
não reversíveis que ocorrem na turbina e no compressor, devido à perda de carga
no escoamento do fluido e na câmara de combustão. Outro ponto importante que
deve ser citado do ciclo Brayton é o fato de seu compressor utilizar grande
quantidade de trabalho na sua operação, comparando com o trabalho gerado na
turbina. A potência utilizada no compressor pode atingir valores de 40% até 80% do
total gerado na turbina. Esse é um fator muito importante quando estamos
considerando o ciclo real, onde o efeito das perdas faz com que a turbina gere
menos potência e o compressor consuma mais. Com a diminuição dos rendimentos
do compressor e da turbina, temos uma queda rápida da eficiência global do ciclo.
Caso essas eficiências caiam abaixo de 60%, todo o trabalho realizado pela turbina
será utilizado para acionamento do compressor, nos retornando a um rendimento
global nulo. (VAN WYLEN, et al., 1997, p.277)
Assim como no ciclo de Rankine, existem várias maneiras de aumentar a
eficiência do ciclo de Brayton. Podemos adicionar um regenerador como na Figura
17, ou incrementar ainda mais o sistema, adicionando compressão em vários
estágios com resfriamento intermediário, expansão em vários estágios com
reaquecimento e um regenerador, de acordo com a Figura 18. (VAN WYLEN, et al.,
1997, p.281)
16
Figura 17 – Ciclo de Brayton com regenerador. (VAN WYLEN, et al., 1997,
p.282)
Figura 18 - Ciclo de Brayton com compressão em vários estágios com
resfriamento intermediário, expansão em vários estágios com reaquecimento e
regenerador. (VAN WYLEN, et al., 1997, p.284)
17
Capítulo 3: Biogás
O biogás é originado por bactérias em um processo de biodegradação de
matéria orgânica em condições anaeróbias (sem a presença de ar). A geração
natural de biogás é uma parte importante do ciclo biogeoquímico do carbono. As
bactérias metanogênicas que produzem metano são o último elo na corrente de
microorganismos que degradam matéria orgânica e devolvem os produtos da
decomposição para o meio-ambiente. (KOSSMANN, et al.)
A composição do biogás varia conforme o substrato utilizado, a temperatura
no interior do biodigestor, o tempo de fermentação e o biodigestor utilizado, mas sua
maior parte consiste geralmente em metano (50-70%) e dióxido de carbono (30-
50%), mas pode conter diversas impurezas, que podem prejudicar o biodigestor, o
processo de fermentação e equipamentos conversores de energia, tais como
motores e turbinas. (DEUBLEIN, et al., 2008)
3.1: Biodigestor
A produção de biogás só é possível graças à existência de um equipamento
chamado biodigestor. Trata-se de uma câmara de armazenamento onde ocorre a
digestão da matéria orgânica, em condições anaeróbias, e uma campânula
(gasômetro) para acumular o gás desprendido do processo. Sua principal finalidade
é o armazenamento e transmissão do biogás (mais especificamente o metano) e
possui como subproduto o biofertilizante, que por ser rico em nutrientes é
considerado um excelente adubo orgânico. Existem dois tipos de biodigestores
quando nos referimos ao seu funcionamento. Nos contínuos, a alimentação de
matéria orgânica é feita continuamente, resultando em uma produção constante. Os
biodigestores do tipo descontínuo recebem sua carga de forma inconstante, o que
acontece por diversas razões, como falta de substrato ou baixo consumo. De acordo
com MAGALHÃES (1986, p. 47), no caso de baixo consumo de biogás, é possível
que seja desenvolvida uma técnica especial para estocagem ou para expelir o gás
para a atmosfera através de dispositivo de segurança (se a capacidade do
gasômetro estiver submetida a pressão máxima), ou por meio de registro de gás. A
utilização do dispositivo de segurança se dá quando a formação do gás é total e
18
mesmo assim é realizada uma nova carga de material orgânico no biodigestor. À
medida que o gasômetro encontra-se em capacidade máxima e tem-se a
continuidade na geração de gás, o dispositivo vai liberando o excesso para a
atmosfera. Nos próximos itens serão apresentados os modelos mais comuns de
biodigestores usados no Brasil.
3.1.1: Modelo Indiano
As características mais marcantes do modelo Indiano são o fato de ser
composto por uma campânula como gasômetro, podendo esta estar mergulhada no
substrato ou em um selo d’água externo e uma parede central que divide o tanque
de fermentação em duas câmaras (Figura 19) (DEGANUTTI, et al., 2002). À medida
que o substrato vai sendo colocado na caixa de entrada, este é conduzido por um
tubo até o fundo do depósito para que possa se iniciar a fermentação. (SANTA
CATARINA, 1980, p. 12)
Como o biodigestor está sempre cheio de mistura, quando este recebe novas
cargas, um material completamente digerido transborda na saída. Esse material
transbordado é um biofertilizante muito rico em nitrogênio. (SANTA CATARINA,
1980, p. 12). Para que o material que entrou na câmara de digestão fique o maior
tempo possível e não transborde diretamente na saída, é construída uma parede
divisória, cuja altura alcança quase o fim da parte de cima do biodigestor. Desta
forma, o material que entra tem que passar por cima da parede para depois descer e
poder transbordar na saída.(SANTA CATARINA, 1980, p. 12)
Figura 19: Biodigestor modelo indiano – Vista Geral. (MAGALHÃES, 1986)
19
Figura 20 – Biodigestor modelo indiano. (Disponível em:
<http://www.vibeflog.com/biodigestores/p/19264200>. Acesso em: 22/02/2012)
O modelo Indiano geralmente é construído em alvenaria de tijolos e concreto
e abaixo do nível do solo (para evitar variações de temperatura). Para o
compartimento de armazenamento de gás (gasômetro), normalmente usa-se chapa
de aço, com teto cônico ou reto, podendo também ser usada a fibra de vidro. A
vedação do sistema é garantida pelo peso do gasômetro. (MAGALHÃES, 1986, p.
49)
3.1.2: Modelo Chinês
Neste modelo, a fermentação ocorre em uma câmara cilíndrica com teto
abobadado e impermeável. Assim como o modelo indiano, é construído abaixo do
nível do solo para evitar mudanças bruscas de temperatura na câmara de
fermentação. Seu funcionamento segue o princípio da prensa hidráulica, ou seja, o
acúmulo de gás na câmara cilíndrica aumenta a pressão interna que ocasiona o
deslocamento dos efluentes digeridos para a câmara de saída. O contrário também
ocorre em caso de descompressão. Uma esquematização deste modelo pode ser
observada na Figura 21 (DEGANUTTI, et al., 2002).
20
No modelo Chinês, a estrutura é construída em alvenaria, inclusive o
gasômetro que é fixo e dotado de uma válvula, sendo esta composta por uma tampa
e pressionada por um selo d’água. Neste modelo, o desperdício é mais presente,
logo, é aconselhado que se esgote totalmente o gás frequentemente e que não seja
construído em grande porte (DEGANUTTI, et al., 2002) (BARREIRA, 2011, p. 20).
Figura 21 - Modelo chinês de cúpula fixa (BARREIRA, 2011).
Figura 22 – Biodigestor modelo chinês. (Disponível em:
<www.alibaba.com/productgs/319529857/Steel_mould_for_100m3_PUXIN_biogas.ht
ml>. Acesso em: 22/02/2012)
21
3.1.3: Modelo Marinha Brasileira
O modelo desenvolvido pela Marinha brasileira possui gasômetro de lona
preta, impermeabilizada. Normalmente são de baixa profundidade, porém mais
longos, oferecendo uma maior produtividade de gás por massa fermentada
(BARREIRA, 2011, p. 23). Sua construção é tal que facilite acoplar em série diversos
módulos, o que constitui um conjunto de 4 ou 5 unidades digestores, como
demonstrado na Figura 23 (MAGALHÃES, 1986, p. 49).
Figura 23: Modelo Marinha – Unidade especial de 3 módulos acoplados
(invento do Professor Bela John Edward Zettl) (MAGALHÃES, 1986).
Figura 24 – Biodigestor modelo Marinha Brasileira. (Disponível em:
<http://blogdoplastico.wordpress.com/>. Acesso em: 02/04/2012)
22
3.1.4: Modelo Batelada
Modelo simples de biodigestor descontínuo, próprio para baixa produção de
biogás. É um pequeno tanque construído em alvenaria, metal ou fibra de vidro. Após
sua carga com substrato, o biodigestor deve ser fechado e espera-se que após 15 a
20 dias de fermentação a produção de biogás inicie. A produção é contínua
enquanto estiver ocorrendo a fermentação do biogás, o que leva aproximadamente
20 dias. Após a total digestão do material orgânico, o tanque deve ser aberto, limpo
e recarregado, para que o processo se reinicie.
Figura 25: Biodigestor tipo batelada em funcionamento. (Disponível em:
<http://permaculturalagooeste.blogspot.com/2011/04/experiencias-com-biodigestor-
na-toca-da.html>. Acesso em: 22/02/2012)
3.2: Substrato
Conforme DEUBLEIN e STEINHAUSER (2008, p. 57), de um modo geral,
todos os tipos de biomassa podem ser usadas como substrato desde que
contenham carboidratos, proteínas, gorduras, celulose e hemicelulose como
componentes principais. É importante considerar alguns pontos ao escolher a
biomassa:
23
• O conteúdo de substância orgânica deve ser apropriado para o
processo de fermentação escolhido;
• O valor nutricional da substância orgânica, por isso, o potencial para
formação de gás deve ser o maior possível;
• O substrato deve ser livre de patógenos e outros microorganismos;
• A quantidade de substâncias nocivas e lixo deve ser baixa para permitir
que o processo de fermentação ocorra sem problemas;
• A composição do biogás deve ser apropriada para diversas aplicações;
• A composição dos resíduos da fermentação deve ser de tal forma que
este possa ser utilizado como fertilizante.
3.3: Componentes típicos do biogás
A composição do biogás varia conforme o material (substrato) utilizado, a
temperatura interna do biodigestor e o tempo de fermentação. De acordo com
BARREIRA (2011), o valor comum da quantidade de metano no biogás está na faixa
de 50-70% com um poder calorífico situado entre 5000 kcal/m³ e 7000 kcal/m³. Os
demais componentes do biogás serão descritos de forma mais detalhada na Tabela
1.
Tabela 1: Componentes do biogás e seus efeitos. (DEUBLEIN, et al., 2008)
Componente Quantidade Efeito
CO2 30-50% do volume. Diminui o poder calorífico.
Causa corrosão (baixas concentrações de ácido
carbônico) se o gás estiver úmido.
Causa danos a células combustíveis alcalinas.
H2S 0-0,5% do volume. Efeito corrosivo em equipamento e encanamentos.
Apesar da porcentagem que pode compor o gás, muitos
fabricantes de motores fixam um limite máximo de
0,05% do volume.
Emissões de SO2 após combustão completa ou H2S no
24
caso de combustão incompleta. Limite máximo em 0,1%
do volume.
Danifica catalisadores.
NH3 0-0,05% do volume. A emissão de NOx depois da queima danifica as células
combustível.
Vapor de
água
1-5% do volume. Causa a corrosão de equipamentos e encanamentos.
Condensação danifica instrumentos.
Poeira >5µm. Bloqueia orifícios e células combustível
N2 0-5% do volume. Abaixa o poder calorífico.
Siloxanos1 0-50mgm-3. Atua como abrasivo e danifica motores.
3.4: Biofertilizante
Após o processo de fermentação em que o biogás é produzido, o resíduo
líquido efluente possui excelentes propriedades fertilizantes. É um adubo rico em
nitrogênio e húmus, sendo ótimo para uso agrícola, constituído de nitrogênio (1,4 e
1,8%), fosfato (1,1 e 2,0%) e óxido de potássio (0,8 e 1,2%), após a secagem da
pasta. Esse resíduo pode ser manuseado sem maiores problemas por não
apresentar cheiro, não atrair insetos e não transmitir doenças. Caso apresente
algum dos aspectos mencionados, recomenda-se aumentar o tempo de retenção do
gás. (MAGALHÃES, 1986, p. 13)
Após sua fermentação, a matéria orgânica adquire um aumento de nitrogênio
e de outros nutrientes. Isso se deve à perda de carbono no processo, sob a forma de
CH4 e CO2. A redução do fator C/N (carbono/nitrogênio) traz benefícios para a
massa orgânica quando o produto final é para fins agrícolas. O fator C/N de um
adubo é o índice que indica as formas crua, semidigerida ou totalmente digerida do
material orgânico. Esta relação é obtida pela divisão do teor de carbono pelo de
nitrogênio, sendo que o nitrogênio deve ser sempre representado pela unidade.
Exemplificando, a palha de milho contém 54% de C e 0,49% de N e tem uma relação
C/N igual a 110/1. Num adubo composto humificado, obtido pelo processo
bioquímico de decomposição a partir dos mesmos insumos (matéria orgânica)
25
utilizados na biodigestão, tem-se uma relação C/N próxima a 10/1. Relações maiores
ou igual a 30/1 indicam que o composto se encontra bioestabilizado. Para melhor
fermentação dentro do biodigestor, uma relação de 30/1 é recomendada, pois as
bactérias utilizam em torno de 25 a 30 vezes mais rápido o nitrogênio (contido nos
estercos) do que o carbono (existente nos restos de culturas, etc). (MAGALHÃES,
1986, p. 14)
Em 1986, engenheiro agrônomo Ralph Wagner, conversando com o repórter
Roberto Manerada revista Globo Rural, alertou: “O pouco interesse pelos
biodigestores no Brasil, nestes últimos dez anos, deve-se ao fato de eles terem sido
apresentados apenas como alternativa energética (...) O que mais interessa é
divulgar o biofertilizante como substituto vantajoso dos adubos e defensivos
industriais”. Diversas experiências realizadas no Brasil confirmam a afirmação do
engenheiro agrônomo. (BARREIRA, 2011, p. 29)
Uma destas experiências foi em Minas Gerais, onde o pesquisador Ivanildo
Marriel, do Centro Nacional de Pesquisa de Milho e Sorgo (CNPS), em Sete Lagoas,
triplicou a produtividade do milho combinando biofertilizantes produzidos em
biodigestores com a adubação química. Ainda descobriu que o solo tratado com
biofertilizante perdeu todo o alumínio tóxico produzido pela acidez. (BARREIRA,
2011, p. 29)
Uma outra experiência ocorreu no início dos anos 80, em uma área arrendada
pela Sendas. O solo desta área, localizada no fundo da baía da Guanabara, era
extremamente ácido (pH em torno de 3,5). Mesmo com o solo sendo impróprio para
plantio, a área foi utilizada para criação de gado e plantio, mesmo que as
expectativas para fins agrícolas fossem baixas. Para aproveitar a grande quantidade
de esterco proveniente da pecuária, foi instalado um biodigestor desenvolvido pela
Marinha Brasileira. A terra começou a ser tratada utilizando o biofertilizante
resultante e de maneira inesperada o pH do solo começou a melhorar. Ainda não
são certas as razões pelo qual o tratamento utilizando biofertilizante corrigiu o pH do
solo, mas experiências mostram que isso ocorre. O pH médio do biofertilizante é 7,5
(levemente alcalino), o que é considerado um excelente índice para proliferação de
microorganismos úteis ao solo. Estes microorganismos, de acordo com os
especialistas, podem ser a razão da restauração da qualidade do solo, equilibrando
o pH. (BARREIRA, 2011, p. 30)
26
Capítulo 4: Mecanismo de desenvolvimento limpo.
O mecanismo de desenvolvimento limpo (MDL) tem como objetivo prestar
assistência aos países em desenvolvimento para que seja viabilizado o
desenvolvimento sustentável e aos países desenvolvidos para atingirem sua meta
de redução de gases de efeito estufa no âmbito do Protocolo de Quioto. Esse
acordo, firmado entre países desenvolvidos e em desenvolvimento, envolve
investimento por parte da nação desenvolvida em implementação de projetos nas
nações em desenvolvimento que resultem na redução da emissão de gases de
efeito estufa. Para isso, a nação desenvolvida pode investir em tecnologias mais
eficientes, realizar projetos de substituição de combustíveis fósseis para geração de
energia por fontes renováveis, fazer racionalização do uso da energia, florestamento
ou reflorestamento, entre outras. Os países desenvolvidos podem adquirir todos ou
parte dos créditos (redução certificada de emissões – RCEs) gerados no projeto.
(FGV, 2002)
As RCEs são medidas em toneladas de carbono equivalente, calculadas de
acordo com índice GWP (Global Warming Potential). Este índice é utilizado para
uniformizar as quantidades dos diversos gases de efeito estufa em termos de
carbono equivalente, o que possibilita que a redução na emissão de diversos gases
diferentes seja somada. Em relação à destinação das RCEs, os países
desenvolvidos podem comprá-las para cumprimento de suas metas na redução dos
gases de efeito estufa e os participantes de atividades de projeto podem ter como
objetivo a comercialização/revenda dos créditos com a expectativa de valorização
futura e realização de lucros, dada a demanda pelas partes compromissadas a
reduzir suas emissões. (FGV, 2002)
27
Figura 26: Ciclo do crédito de carbono. (FGV, 2002)
28
Capítulo 5: Estudo do potencial energético de uma
propriedade de suinocultura em Santa Catarina.
Atualmente, a suinocultura catarinense possui o melhor nível de produtividade
do País, com índices semelhantes ou até mesmo superiores ao de países europeus
e dos EUA. Com uma produção de cerca de 0,7% da mundial, a suinocultura
catarinense é competitiva internacionalmente. (EPAGRI, 2012)
O estado possui um rebanho permanente de aproximadamente 4,5 milhões
suínos, representando 16% do rebanho nacional e produz mais de um terço dos
abates totais, o que representa 7,8 milhões de cabeças/ano. Com apenas 19% do
rebanho industrial (3,4 milhões de cabeças), Santa Catarina detém o controle de
aproximadamente 40% dos abates industriais do País (6,6 milhões de cabeças).
(EPAGRI, 2012)
O mercado de suínos se concentra em 5 empresas de grande porte, todas
com matriz em Santa Catarina. Estas detêm mais de 60% dos abates e de 70% dos
negócios suinícolas do país. (EPAGRI, 2012)
5.1: Cálculo da quantidade de biogás.
Vamos considerar uma propriedade agrícola hipotética (com dados baseados
em propriedades reais obtidos em publicações da EMBRAPA) no oeste de Santa
Catarina, representando uma carga de 22,3 kW para o SIN, que tenha como um de
seus ramos de produção a suinocultura. Esta propriedade possui um rebanho
permanente de 1060 suínos e estes são alimentados com silagem de milho
contendo 33% de volume seco. A silagem é produzida na propriedade, sendo uma
parte destinada à alimentação dos animais e outra à venda. O excedente (destinado
à venda) médio por safra (aproximadamente 6 meses) é de 1464,66 toneladas, a um
custo de produção aproximado de R$ 65,00 por tonelada (disponível em
<www.milkpoint.com.br>, acesso em 13/12/2011). Usando estes dados, e
considerando duas safras por ano, podemos chegar a um valor de 8,137 t/dia de
silagem de milho. Embora no Brasil esta prática não seja muito utilizada, a silagem
29
possui um grande potencial para a produção de biogás, sendo amplamente utilizada
em países europeus para este fim.
De acordo com Santos (2000), porcos em exploração pra engorda fornecem,
por cabeça, matéria prima para a produção de cerca de 0,799 m³ diários de biogás,
como mostrado na Tabela 2.
Tabela 2: Produção diária de biogás por suíno. (SANTOS, 2000)
Sendo assim, podemos estimar que para 1060 suínos em exploração de
engorda, teremos uma produção diária de 846,94 m³ de biogás. E de acordo com os
dados fornecidos pela NNFCC, é possível obter uma produção aproximada de 200
m³/t de biogás para a silagem de milho com cerca de 30% de massa seca na sua
composição. Fazendo os cálculos, obtém-se uma média 1627,4 m³/dia de biogás
através da silagem. Abaixo está a memória de cálculo do total de biogás produzido
diariamente:
QTBE – Quantidade total de biogás gerado pelos excrementos de porco.
QTBS – Quantidade total de biogás obtido pela Silagem.
QTB – Quantidade total de biogás.
���� = 0,799�1060 = 846,94#³/&'(
���) = 200�8,137 = 1.627,4#³/&'(
��� = ���� + ���) = 2.474,34#³/&'(
O total diário então é de 2.474,34 m³/dia de biogás disponível.
5.2: Geração principal de energia elétrica
Para o cálculo da geração de energia, é necessário primeiramente
dimensionar a turbina adequada para a geração principal. Após pesquisar diversos
30
modelos de turbinas, foi encontrado o modelo c200 da CAPSTONE, com capacidade
de 200 kW. Os dados principais desta turbina estão expostos na Tabela 3
De acordo com Santos (2000), a equivalência energética do biogás é de 6,5
kWh/m³ ou 23,37 MJ/m³. Lembrando, enfaticamente, que esta é uma aproximação,
uma vez que a qualidade e o poder calorífico do biogás dependem de inúmeros
fatores e não é possível ser calculado com precisão. Porém, esta é uma
aproximação válida para realização de estudos de dimensionamento.
CDB – Consumo diário de biogás pela turbina.
QDD – Quantidade diária disponível de biogás.
Cálculos de consumo da turbina:
./� = 240001. ℎ34. 24ℎ
./� = 5760001 ou 666,667 kW
Cálculos da quantidade disponível biogás:
�// = 2474,34#³. 23,3701.#36
�// = 57825,32601 ou 669,274 kW
Logo, podemos concluir que temos energia suficiente para geração
ininterrupta a plena carga durante 24 horas por dia. A quantidade gerada deverá
garantir a autossuficiência da propriedade e a possibilidade de venda do excedente
para a concessionária local. Há também cerca de 9,64 m³ de biogás que não serão
utilizados na geração. Essa pequena quantidade pode ser utilizada como substituto
do gás de cozinha ou para aquecer água.
31
Tabela 3: Dados turbina CAPSTONE C200. (CAPSTONE)
5.3: Cálculo da geração em ciclo combinado.
Não existem muitos fabricantes de microturbinas operando a ciclo orgânico de
Rankine disponíveis atualmente, mas sendo a temperatura dos gases de exaustão
da turbina 280ºC, estes podem ser considerados de baixa temperatura. Esses dados
tornam mais atrativa a aplicação de um modelo de turbina em ciclo orgânico, dado
que seu fluido de trabalho é escolhido para operar com recuperação de gases em
baixas temperaturas.
Após contato com alguns fabricantes, foi obtida uma resposta positiva da
Infinity Turbine ®. O fabricante não possuía nenhum data-sheet disponível, porém,
me passou as informações necessárias e um modelo adequado para o meu caso.
Os modelos deste fabricante possuem eficiência em torno de 10% do total de
energia que está em exaustão.
32
Cálculo da quantidade de energia recuperável:
QEE – Quantidade de energia em exaustão.
QER – Quantidade de energia recuperável.
��� = 142001/36007
��� = 394,4489
��: = 0,1.394,4489
��: = 39,44489
Após esta breve análise, optou-se pelo modelo IT50, que possui capacidade
de geração de 50 kW em plena carga. Os principais dados relativos a este gerador
são apresentados na Tabela 4
Tabela 4: Descritivo IT50. (INFINITY TURBINE ®)
Aspecto Descrição
Capacidade 50kWe
Rotação 15000-18000 rpm
Pressão de trabalho 150-200 psi
Fluido de trabalho R134a e R245fa
Eficiência ~10%
5.4: Dimensionamento do biodigestor
De acordo com BARREIRA (2011), é recomendado para a digestão do
material orgânico que a proporção substrato-água seja de 1:1 até 1:2 para maior
eficiência do processo de decomposição. Para este caso, adotou-se por manter a
proporção de 1:1, tendo em vista que ambos os substratos apresentam grande
quantidade de água em sua composição. Essa quantidade de água adicionada
também evitará entupimento dos canos caso os substratos não estejam bem
diluídos.
O processo de digestão da matéria orgânica leva algum tempo para ser
concluído, sendo este um fator importante na hora de dimensionar o biodigestor. De
33
acordo com BARREIRA, para os biodigestores contínuos mais comuns utilizados no
Brasil (Indiano e Chinês), o tempo de retenção varia entre 40 e 60 dias. Dado o fato
de que a maior parte do substrato é silagem e que este demora mais do que o
esterco de porco para ser totalmente digerido, optou-se por um tempo de retenção
de 60 dias, para máxima obtenção de biogás.
A maneira mais simples de dimensionar o volume do biodigestor é pelo
produto do volume de carga diário pelo tempo de retenção:
VB – Volume do biodigestor.
VCD – Volume da carga diária de substrato.
;� = ;./. �:
Sabendo que a densidade da silagem de milho com 34% de massa seca é de
aproximadamente 690 kg/m³(MUCK, et al., 2000) e que o volume diário de
excremento que um porco em exploração de engorda é 6,3 litros (TAKITANE, 2001),
obtemos o volume total diário de 36,94 m³, o que nos estima um biodigestor de
2216,4 m³
5.5: Custos
Para levantamento dos custos, foram levadas em conta publicações
cientificas e pesquisas de mercado, com contato direto com o fabricante ou
representante da marca.
Tabela 5: Especificações turbina CAPSTONE. (CAPSTONE)
Turbina C200 CAPSTONE
Custo unitário. R$345.600,00
Custo O&M. R$0,0864/kWh
Manutenção preventiva. A cada 8.000 horas de uso.
Tempo de vida útil. 20 anos.
Tabela 6: Especificações turbina IT. (INFINITY TURBINE)
Turbina IT50 INFINITY TURBINE
34
Custo unitário. R$224.640,00
Custo de O&M. R$0,0864/kWh
Manutenção preventiva. A cada 10.000 horas de uso.
Tempo de vida útil. 20 anos.
O custo de O&M para a turbina em ciclo orgânico de Rankine não foi
fornecido pelo fabricante, logo, para questões de estimativa foi utilizado o mesmo
custo da turbina C200. Como as manutenções preventivas das turbinas são
próximas, optou-se por realizar a manutenção de ambas as turbinas após cada
8.000 horas de operação, evitando assim duas paradas em um intervalo de 2.000
horas.
De acordo com (ZANIN, et al., 2010), o custo para a construção de um
biodigestor de 900 m³ é R$ 102.426,00 e para um de 1400 m³ é R$ 131.700,00. Para
o primeiro podemos calcular um preço de R$ 113,80/m³ e para o segundo R$
94,07/m³. Podemos perceber que o preço cai conforme aumenta o tamanho do
biodigestor. Aproximando essa variação para uma reta (linear), encontrou-se a
equação:
<=>ç@ = 58,548. ;@AB#> + 49732,85
Podendo desta forma calcular para um volume de 2216,4 m³
<=>ç@ = 58,548.2216,4 + 49732,85
<=>ç@ = :$179.498,64
Em contatos realizados com alguns fabricantes, foi informado que este preço
representa uma boa estimativa, dado que o custo do biodigestor varia de acordo
com os preços dos materiais de construção e mão de obra em cada região.
Levando em conta que a manutenção preventiva das duas turbinas leva cerca
de 4 dias e que essa parada seja aproveitada para ser efetuada para a limpeza do
biodigestor, estimamos que o sistema fique parado durante 5 dias no ano. Na Tabela
7 estão descritos os custos totais.
Tabela 7: Custos totais
Custos Fixos
35
Turbina C200 R$ 345.600,00*
Turbina IT50 R$ 224.640,00*
Biodigestor R$ 179.498,64
Custos variáveis anuais
Silagem R$ 190.405,80
O&M R$ 178.744,30*
Custo total
Investimento inicial no 1º ano. R$ 1.118.888,74
*De acordo com a cotação do dólar em 02/03/2012 (R$1,728).
5.6: Retorno do investimento.
5.6.1: Venda de energia elétrica
Com a quantidade de energia que será gerada, será possível suprir toda a
demanda da propriedade e ainda vender o excedente para a concessionária local.
Na Tabela 8 temos os valores da tarifa cobradas pela CELESC. Como se trata de
uma propriedade rural, o custo do kWh é de R$ 0,19593, o que nos permite calcular
a economia anual proporcionada pelo sistema de geração combinada.
Tabela 8: Tarifa convencional de energia elétrica CELESC.
36
(Disponível em:
<http://portal.celesc.com.br/portal/grandesclientes/index.php?option=com_content&ta
sk=view&id=57&Itemid=106>. Acesso em: 18/05/2012)
.D� = .. 8640ℎ
.D� = 22,38E. 8640ℎ
.D� = 192.67289ℎ
�.F = .D�. 0,19593
�.F = :$37.740,22
De acordo com a APINE (Associação Brasileira dos Produtores
Independentes de Energia Elétrica), os preços de venda da energia se dividem nas
regiões do Brasil conforme a Tabela 9, em 3 horários distintos e o patamar de carga
está demonstrado na Tabela 11.
Tabela 9: Preço de venda do MWh em 10/05/2012.
(Disponível em:
<http://www.apine.com.br/site/zpublisher/secoes/Precos_Energia.asp>. Acesso em:
18/05/2012)
Tabela 10: Patamar de carga. (ALVES DE FARIAS, 2008)
37
Conclui-se que, de segunda a sábado, cada dia possui 7 horas de carga leve,
14 horas de carga média e 3 horas de carga pesada. Com auxilio de um calendário,
observa-se que em 2012 teremos 53 domingos e 10 feriados que não caem no
domingo. Com o abatimento do consumo próprio de energia elétrica, restam
1.876.124,16 kWh para serem comercializados como produção independente de
energia. Feito os cálculos da venda de energia, os valores são apresentados na
Tabela 11.
Tabela 11: Receita com venda de energia em 2012.
Horas/Ano Receita
Leve 3276 horas/ano R$ 127.533,29
Média 4473 horas/ano R$ 175.025,60
Pesada 891 horas/ano R$ 35.028,70
Total 8640 horas/ano R$ 337.587,59
5.6.2: Venda da produção de biofertilizante.
Para calcular a quantidade de biofertilizante produzido, primeiramente
precisamos saber a parte do volume total do substrato que será convertido em CH4 e
CO2 (consideraremos aqui somente estes dois gases por serem a maior parte da
composição do biogás). Na literatura encontramos esse valor situado entre 4% e 7%
(OLIVEIRA, 2005).
A maneira mais simples de calcular a quantidade do volume do biodigestor
que corresponde ao biogás é calcular qual a massa do gás formado. De acordo com
a equação de Clapeyron, um mol de um gás contém sempre um número fixo de
moléculas:
<. ; = G. :. �
P – Pressão (atm)
V – Volume (L)
n – Número de mols
R – Constante dos gases (0,082 atm.L.K-1)
38
T – Temperatura (K)
Uma mistura gasosa com gases que não reagem entre si, se comporta como
um gás único puro. Embora a lei do gás ideal seja uma lei limite, é razoável em
pressões normais para uma análise primária do comportamento dos gases. Desta
forma, podemos utilizar a equação de Clapeyron para estimar a quantidade de
metano (CH4) e gás carbônico (CO2) presente na mistura. (BOSQUILHA, 2003,
p.195)
Como dito anteriormente, o biogás tem composição de metano na mistura
entre 50% e 70% e poder calorífico situado entre 5000 kcal/m³ e 7000 kcal/m³
(BARREIRA, 2011, p.10). Como o poder calorífico utilizado foi de 6,5 kWh/m³
(5598,1 kcal/m³), podemos calcular uma quantidade de aproximadamente 56% de
metano na mistura. Como vamos considerar apenas o metano e o gás carbônico,
deste último teremos 44% na mistura.
Para aplicar a equação de Clapeyron, vamos considerar pressão de 1 atm e
temperatura de 25ºC (298K). O volume diário de biogás produzido, como já
calculado anteriormente é de 2474,34 m³.
1.2474340H = G. 0,082atm. L. K34. 298K
G = 101257,98#@A7
Ou seja, temos 56.704,47 mols de metano e 44.553,51 mols de gás
carbônico. Conhecidas as massas molares do metano como 16,04 g/mol e do gás
carbônico 44,01 g/mol (BOSQUILHA, 2003), calculamos que a massa total de
substrato transformada em biogás é 1,624 toneladas aproximadamente. Agora
precisamos calcular o peso que entra diariamente no biodigestor. Sabemos que
diariamente temos 8,137 toneladas de silagem e 18,47 toneladas de água e que de
acordo com BARREIRA (2011), um suíno produz cerca de 2,25 kg de esterco por
dia. Assim, chegamos em um total de 28,992 ton/dia de mistura dentro do
biodigestor. Subtraindo este total da quantidade que é transformada em gás, temos
uma exaustão de 27,368 ton/dia de biofertilizante, correspondendo a 5,6% da massa
total da parte líquida/sólida se transformando em biogás. Isto nos representa uma
excelente aproximação comparado aos casos retratados na literatura. (OLIVEIRA,
2005).
39
Como a tonelada do biofertilizante é comercializada entre 30 e 90 reais
(OLIVEIRA, 2009), podemos calcular os valores mínimos e máximos que poderão
ser obtidos com a comercialização deste.
Tabela 12: Receita anual com venda de biofertilizante.
Venda Receita/ano
R$30/ton R$295.574,40
R$90/ton R$886.723,20
5.6.3: Mercado de carbono.
Caso esse projeto seja enquadrado em um projeto de MDL, será possível
comercializar os créditos obtidos pela redução na emissão dos gases de efeito
estufa. De acordo com o índice GWP, obtemos que 1 kg de CO2 equivale a 0,2727
kg de carbono equivalente e que 1 kg de CH4 equivale a 5,7267 kg de carbono
equivalente. Vamos supor que na propriedade, após a geração da energia, toda e
qualquer exaustão de gás seja tratada, reduzindo as emissões de gases de efeito
estufa a um valor muito próximo de zero. Sendo assim, podemos calcular o total de
carbono equivalente produzido em um ano.
Gás metano: Total = 360x56704,47molsx16.04g.mol34 = 327.434,3kg
Carbono equivalente do metano: Total = 327.434,3x5,7267 = 1.875,12ton.
Gás carbônico: �@V(A = 360�44.553,51#@A7�44,01W.#@A34 = 705.8888W
Carbono equivalente do gás carbônico: �@V(A = 705.888�0,2727 = 192,5V@G.
Coletando os dados dos cálculos acima, chegamos a uma quantidade anual
de créditos de carbono igual a 2067,62. Como essa redução será constante
anualmente, podemos vender os créditos gerados em 20 anos de duração do projeto
em leilões do BM&F BOVESPA. Nesses 20 anos seriam gerados 41.352,4 créditos
de carbono, com o valor de cada crédito de acordo com o último leilão do BM&F
BOVESPA (25/09/2008) a 19,20 euros. A cotação do euro no dia do leilão era de
2,67 reais, o que resultaria em R$ 2.119.889,43 ao longo de 20 anos de operação da
pequena central de cogeração.
40
5.6.4: Valor presente líquido.
Considerando que o sistema de geração tem um tempo de vida útil de 20
anos, podemos calcular o VPL. No dia 19/05/2012, a taxa de juros da economia
brasileira era de 9% (Brasil Econômico). A fórmula do VPL é muito comum e
utilizada nas áreas de projeto e investimento.
;<H = ∑YZ[
(4]�)[�_
FC – Fluxo de caixa
i – Taxa de juros
t – Quantidade de tempo em anos
n – Duração do projeto
Tabela 13: Valor Presente Líquido
Dados Gerais
Investimento inicial R$ 1.118.888,74
Custo anual R$ 369.150,10
Lucro anual com
venda/economia de energia
elétrica
R$ 375.327,81
Lucro com venda de
biofertilizante (R$30/ton)
R$ 295.574,40
Lucro com venda de
biofertilizante (R$90/ton)
R$ 888.723,20
Lucro com a venda dos
créditos de carbono gerados
ao longo de 20 anos de
projeto.
R$ 2.119.889,43
41
Valores anuais
Ano VPL com valor mínimo
do biofertilizante
VPL com valor máximo do
biofertilizante
0 -R$ 1.118.888,74 -R$ 1.118.888,74
1 R$ 276.836,80 R$ 821.010,01
2 R$ 253.978,71 R$ 753.220,19
3 R$ 233.001,00 R$ 691.027,70
4 R$ 213.768,80 R$ 633.970,36
5 R$ 196.118,17 R$ 581.624,19
6 R$ 179.924,92 R$ 533.600,17
7 R$ 165.068,74 R$ 489.541,44
8 R$ 151.439,21 R$ 449.120,59
9 R$ 138.935,05 R$ 421.037,24
10 R$ 127.463,35 R$ 378.015,82
11 R$ 116.938,85 R$ 346.803,50
12 R$ 107283,35 R$ 318.168,35
13 R$ 98.425,10 R$ 291.897,57
14 R$ 90.298,25 R$ 267.795,93
15 R$ 82.842,43 R$ 245.568,34
16 R$ 76.002,23 R$ 225.398,48
17 R$ 69.726,82 R$ 206.787,60
18 R$ 63.969,56 R$ 189.713,39
19 R$ 58.687,67 R$ 174.048,98
20 R$ 53.841,90 R$ 159.677,96
Total R$ 1.635.662,17 R$ 7.059.139,07
42
Total com os créditos de
carbono
R$ 3.755.551,60 R$ 9.179.028,50
Fazendo algumas projeções, aproximamos um tempo de retorno de
investimento para caso de menor preço do fertilizante de 4 anos e 9 meses, e de 1
ano e 7 meses para o caso de maior preço.
43
Capítulo 6: Conclusão
O biogás representa um enorme potencial de geração de energia elétrica para o
Brasil. O seu uso já é amplamente distribuído em países desenvolvidos ou super-
populosos como China e Índia, porém no Brasil, a sua utilização está apenas no
inicio. Com a utilização desta fonte renovável, problemas de fornecimento de energia
em regiões remotas não seriam mais tão numerosos, assim como o fato de termos
uma matriz de geração distribuída totalmente nova à disposição.
A primeira coisa a se fazer é conscientizar todo e qualquer proprietário que
tenha uma fonte de matéria orgânica em quantidade que está sendo jogada fora e
deixada para ser decomposta de maneira inapropriada, dos benefícios da geração
do biogás. A maior parte dos aterros, estações de tratamento de esgoto e produtores
agropecuários não utiliza a decomposição de rejeitos orgânicos para obtenção de
biogás por desconhecerem sua existência ou por acharem que o investimento não
se pagará, trazendo um enorme prejuízo.
Para a propriedade agrícola apresentada, podemos perceber que embora o
custo inicial seja alto, o retorno será em um curto prazo de 1 ano e 7 meses até 4
anos e 9 meses. Isso representa um investimento sólido, que proporcionará não
apenas a independência energética da propriedade, mas também lucros
razoavelmente altos em duas décadas.
Observe bem que esse sistema demonstra a grande eficiência de um sistema
de cogeração a biogás. Além de obtermos grande eficiência na produção de energia
elétrica, temos um aproveitamento da matéria orgânica que margeia os 100%, pois
além de uma parte ser convertida em gás para alimentar a turbina, a parte
descartada pode ser utilizada como biofertilizante de alta qualidade.
Com a preocupação mundial em relação ao meio ambiente, um projeto como
este possui uma significância muito grande no que se diz respeito à redução nas
emissões de gases de efeito estufa para a atmosfera. A digestão em local fechado
da matéria orgânica impede que o metano escape para o ambiente, e sua queima
reduz o seu potencial agressivo contra a camada de ozônio. Com estas medidas,
ainda é possível gerar renda com a venda dos certificados de redução de emissão
44
(créditos de carbono), o que representa mais um atrativo para o investimento em um
projeto como este.
A implantação deste sistema de geração na propriedade rural estudada, pode
ser o incentivo necessário para que as outras propriedades da região também
adotem o aproveito do biogás. Toda a região agrícola das proximidades poderá se
tornar autossuficiente em geração de energia e biofertilizante. Essa idéia poderá se
ampliar e trazer uma nova visão de prosperidade para o estado.
45
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