UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ CENTRO DE …livros01.livrosgratis.com.br/cp081614.pdf · execução nos projetos de irrigação e adutora de abastecimento de água. ... eólica e

UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ

CENTRO DE TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

FRANCISCO JOSÉ FIRMINO CANAFISTULA

BIODIGESTOR COMO OPÇÃO DE FONTE ENERGÉTICA PARA COMUNIDADES

RURAIS DO SEMI-ÁRIDO

FORTALEZA / CEARÁ

2009

Livros Grátis

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Dissertação submetida à Coordenação do Curso de Pós-

Graduação em Engenharia Elétrica da Universidade

Federal do Ceará, como requisito parcial para obtenção

do grau de Mestre em Engenharia Elétrica.

Orientador: Prof. Dr. Paulo Cesar Marques de Carvalho

FORTALEZA / CEARÁ

2009




Dissertação submetida à Coordenação do

Curso de Pós-Graduação em Engenharia

Elétrica da Universidade Federal do Ceará,

como requisito parcial para obtenção do grau

de Mestre em Engenharia Elétrica.

BANCA EXAMINADORA

____________________________________________ Prof. Dr. Paulo Cesar Marques de Carvalho

Universidade Federal do Ceará - UFC

____________________________________________ Prof. Dr. Henrique Antunes Cunha Junior


____________________________________________ Prof. Dr.-Ing. Sérgio Daher


____________________________________________ Prof. Ph. D. Adunias dos Santos Teixeira


A meus pais, minha esposa,

meus filhos, meus avós, e àqueles que

também colaboraram e acreditaram na

realização deste projeto de vida.

OFEREÇO

A minha mãe Maria de Jesus (In memorian)

A verdadeira ciência nasce do mesmo

jeito da arte. Nasce da intuição, da

imaginação criadora, da dúvida. Ariano Suassuna.

AGRADECIMENTOS

A Deus, por me conceder o dom da vida.

A Universidade Federal do Ceará – UFC, especialmente ao Departamento de

Engenharia Elétrica, por ter me dado a oportunidade de realização deste curso.

Ao Banco do Nordeste – BNB, pelo financiamento do projeto de pesquisa

intitulado “Biodigestor para validação de sistema produtivo auto-sustentável de ovinos e

caprinos”.

Ao Centro de Ciências Agrárias pela disponibilidade de uma área experimental

em pentecoste para realização desse estudo.

A equipe do Instituto Joazeiro que elaborou o projeto de pesquisa do qual se

originou essa dissertação, Paulo, Magilce e Wilmar.

Ao Laboratório de Combustíveis e Lubrificantes do Departamento de Engenharia

Química da UFC pela concessão de técnicos e equipamentos para análise de componentes

estudados nesta dissertação.

Ao professor Dr. Paulo Cesar Marques de Carvalho, pela oportunidade dada e

ajuda inestimável.

Ao professor Ph.D. Adunias dos Santos Teixeira, por idéias e sugestões no

desenvolvimento experimental de campo.

Ao professor Dr. Sérgio Daher, pelo incentivo, amizade e ajuda nos momentos de

dificuldade.

Ao professor Dr. Henrique Antunes Cunha Junior, pelas contribuições dadas

nessa dissertação.

Ao amigo Luís Alberto pelo incentivo e ajuda no desenvolvimento do texto da

dissertação.

Aos técnicos Nonato e Romário pela ajuda na execução da instalação do

biodigestor e sistema de irrigação.

Ao Enilson pela dedicação na operação de toda planta.

Aos amigos Alípio Leão e Silvana Coelho pela participação na elaboração e

execução nos projetos de irrigação e adutora de abastecimento de água.

Ao professor Manuel Rangel B. N., pela orientação no uso do programa GDER.

Aos amigos Jeremias e Clemilson, pela participação na execução dos projetos de

irrigação e adutora de abastecimento de água.

Aos professores Nunes, Sellaive-Vilarroel, João Hélio e Magno Candido pelo

apoio técnico ao projeto.

A todos aqueles que contribuíram de forma direta e indireta para que esse

experimento fosse realizado.

Meus sinceros agradecimentos!e outras afinidades, acreditam conjuntamente

numa civilização de preceitos

RESUMO

A presente dissertação tem por objetivo avaliar o biogás produzido a partir da

digestão anaeróbia de dejetos de caprinos para fins energéticos, além de analisar o

biofertilizante produzido pelo mesmo processo. Desta forma, novos produtos são inseridos no

manejo semi-intensivo ou extensivo de caprinos, aumentando a sua viabilidade técnica,

econômica, financeira e ambiental. A área escolhida para desenvolvimento deste estudo está

inserida na região semi-árida. O biodigestor foi construído em uma área situada na Fazenda

Experimental Vale do Curu, pertencente à Universidade Federal do Ceará – UFC. O biogás

foi utilizado como um dos combustíveis de um motor de combustão interna ciclo Otto de 5,5

HP que estava acoplado a uma bomba hidráulica que por sua vez, foi usada para irrigar 1 (um)

hectare de pastagem. A irrigação total diária utilizou tanto o biogás como gasolina, o que

possibilitou determinar a equivalência energética entre esses dois combustíveis. . Para as

condições encontradas no campo experimental, foi necessário um volume de 64,8 m3/dia de

água para irrigar 1 (um) hectare de pastagem. O volume de água aplicado usando o biogás foi

de aproximadamente 19,35 m3/dia, sendo que esse valor representa aproximadamente 30% do

total necessário. Portanto, o biogás produzido diariamente, pode substituir cerca de 30% do

volume da gasolina consumida ou da energia utilizada. Em termos de equivalência energética,

pode-se dizer que 1 m3 de biogás é equivalente a 740 mL de gasolina. Usando a ferramenta

GDER calculou-se o custo do kWh das seguintes modalidades de fornecimento de energia:

biogás de esterco caprino, diesel, rede elétrica, eólica e fotovoltaica. Quando o preço do m3 de

biofertilizante é considerado equivalente ao húmus de minhoca, o custo do kWh do biogás é

tão baixo que a planilha de cálculo atribui valor zero e a relação benefício/custo é de 11,224.

A relação Carbono/Nitrogênio (C/N) do biofertilizante de esterco caprinos é igual a 6, é a

menor relação quando comparada ao biofertilizante de esterco de bubalino, suíno e bovino.

Os teores totais de alguns elementos do biofertilizante de dejetos de caprinos foram de 23,3

g/kg (2,33%) de N; 4,66 g/kg (0,47%) de P e 15,80 g/kg (1,58%) de K, tornando-o uma fonte

confiável para a adubação de plantas.

Palavras-chave: biogás, equivalência energética, caprino.

ABSTRACT

This research aims at analyzing biogas produced by anaerobic digestion of goat

excrements related to energy generation, in addition to analyzing the bio-fertilizer as a

byproduct of the process. Therefore, new products are generated from semi-intensive and

extensive of goats, increasing its economical and environmental viability of the activity.

Trials were setup in a farm within the semi-arid region of Brazil. An Indian biogas digester

was built in the Vale do Curu Experimental Station of the University Federal of Ceará. The

biogas was applied as the fuel for an Otto cycle internal combustion engine of 5.5 HP used to

drive a hydraulic pump that supplied water to an area of one hectare of pasture. The motor

was fueled either with biogas or gasoline making it possible to assess equivalence between

the two fuels. For the 64.8 m3 necessary to irrigate daily one hectare of pasture, 19.35 m3 was

supplied using energy from the biogas comprising 30% of the water requirement. Therefore,

the biogas the biogas can substitute 30% of the daily energy requirements and one can state

that 1 m3 of biogas substitutes 740 mL of gasoline. The spreadsheet GDER was applied to

compute the cost of kWh of the following electricity sources: biogas from goat excrement,

diesel, electrical grid, wind and solar. If the cubic meter of bio-fertilizer is priced equally to

the humus of worms, the cost of kWh from bio-digester goes towards zero and the benefit-

cost ratio goes to 11.224. The C/N ratio of the goat derived bio-fertilizer of six is lowest than

the values reported for bubalus, pork and cows, in addition, the rates of nutrients found in the

bio-fertilizer of goat are 23.3 g/kg (2.33%) de N; 4.66 g/kg (0.47%) de P e 15.80 g/kg

(1.58%) de K, making it a reliable source of nutrient for plants.

Key-words: biogas, energy equivalency, goat.

LISTA DE FIGURAS

FIGURA 1 - Consumo e recursos de energia no mundo (MME, 2005) ................................ 16

FIGURA 2 - Estimativa do custo do petróleo (RAPLUS, 2005)........................................... 17

FIGURA 3 - Processos de conversão energética da biomassa (NOGUEIRA & LORA,

2003). 22

FIGURA 4 - Componentes do biodigestor ............................................................................ 26

FIGURA 5 - Potencial de biogás em 2020, para países da União Européia (TRICASE,

& LOMBARDI, 2008)...................................................................................... 33

FIGURA 6 - Utilização do biogás em função do processo de tratamento (TRICASE,

LOMBARDI, 2008). ......................................................................................... 34

FIGURA 7 - Coluna de absorção de CO2 (SOUZA et al., 2006) .......................................... 43

FIGURA 8 - Mapa do Ceará com ênfase à localização da área de estudo ............................ 44

FIGURA 9 - Sistema proposto para o semi-árido nordestino................................................ 45

FIGURA 10 - Esquema de ligação das fontes hídricas do projeto .......................................... 48

FIGURA 11 - Detalhe da folga do gasômetro. ........................................................................ 51

FIGURA 12 - Caixa de água utilizada como gasômetro ......................................................... 52

FIGURA 13 - Corte transversal do biodigestor instalado em Pentecostes-CE........................ 53

FIGURA 14 - Detalhe da construção da parede divisória ....................................................... 54

FIGURA 15 - Haste guia fixada na parede divisória ............................................................... 54

FIGURA 16 - Carga inicial de detritos .................................................................................... 56

FIGURA 17 - Instalação do acoplamento do cano guia .......................................................... 57

FIGURA 18 - Procedimento de montagem do gasômetro ....................................................... 57

FIGURA 19 - Gasômetro instalado ......................................................................................... 58

FIGURA 20 - Desenho esquemático do manômetro instalado sobre tábua ............................ 59

FIGURA 21 - Purgador............................................................................................................ 60

FIGURA 22 - Curva da altura manométrica x vazão da bomba utilizada (CATÁLOGO

DE BOMBAS THEBE). ................................................................................... 62

FIGURA 23 - Peça utilizada para entrada de biogás no motor estacionário ........................... 63

FIGURA 24 - Camada de esterco na superfície do tanque do biodigestor .............................. 64

FIGURA 25 - Sistema de pré-aquecimento do biogás............................................................. 65

FIGURA 26 - Sonda ultra-sônica e sistema de aquisição de dados......................................... 66

FIGURA 27 - Medidor de vazão de gás .................................................................................. 67

FIGURA 28 - Funcionamento do sistema de irrigação............................................................ 72

FIGURA 29 - Curva de temperatura e volume de biogás no gasômetro (15/10/05) ............... 74

FIGURA 30 - Curva de temperatura e volume de biogás no gasômetro (16/10/05) ............... 75

FIGURA 31 - Medidas do consumo de biogás para o período de um dia ............................... 80

FIGURA 32 - Dados de entrada da ferramenta GDER para Pentecostes – Ce........................ 90

FIGURA 33 - Dados de entrada de velocidade do vento da ferramenta GDER...................... 91

FIGURA 34 - Resultado do cálculo da ferramenta GDER com dados de entrada

adquiridos em Pentecostes - CE........................................................................ 92

FIGURA 35 - Distribuição de freqüência da velocidade vento ao longo de 2005 e

probabilidade da velocidade do vento ser menor que a indicada ..................... 93

FIGURA 36 - Curva de potência do gerador Enersud (ENERSUD, 2005) ............................. 94

FIGURA 37 - Resultado do custo do kWh da rede elétrica para uma distância de 4,4 km..... 94

FIGURA 38 - Resultado do cálculo do custo com o m3 do biofertilizante a R$ 2,00. ............ 95

FIGURA 39 - Resultado de custos para estimativa de preço do biofertilizante

equivalente ao preço do húmus de minhoca (R$ 310,00/m3). .......................... 96

FIGURA 40 - Resultado do cálculo da ferramenta GDER usando o valor de R$ 2,691

para o kWh (dado de entrada)........................................................................... 97

LISTA DE TABELAS

TABELA 1 - Classificação dos biocombustíveis ................................................................... 19

TABELA 2 - Custo de produção da Energia Elétrica ( MME, 2005)..................................... 25

TABELA 3 - Características comparativas entre modelo o indiano e o chinês

(PRAKASAN et. al, 1987)................................................................................ 27

TABELA 4 - Produção diária dos resíduos de animais (kg/dia/animal) ................................ 28

TABELA 5 - Produção de esterco e biogás de diferentes resíduos orgânicos

(NOGUEIRA, 1985) ......................................................................................... 28

TABELA 6 - Consumo de biogás ........................................................................................... 30

TABELA 7 - Equivalência energética de 1 m3 de biogás....................................................... 30

TABELA 8 - Equivalência anual dos produtos do biodigestor (OTSUBO, 2003)................. 30

TABELA 9 - Crescimento do consumo de energia em várias regiões do globo

(BHATTACHARRYA, 2004). ......................................................................... 31

TABELA 10 - Fontes de produção de biogás na Itália de 2001 a 2005. .................................. 36

TABELA 11 - Custo de biogás e geração de eletricidade (COLDEBELLA et al., 2006)........ 41

TABELA 12 - Características técnicas da bomba utilizada para irrigação da pastagem

(CATÁLOGO DE BOMBAS THEBE)............................................................ 61

TABELA 13 - Coleta de dados do consumo de biogás. ........................................................... 78

TABELA 14 - Coleta de dados da vazão de água. ................................................................... 78

TABELA 15 - Poder calorífico de alguns combustíveis (SGANZERLA, 1983). .................... 81

TABELA 16 - Equivalência energética de 1 metro cúbico de biogás de esterco caprino

com outras fontes de energia. ........................................................................... 81

TABELA 17 - Composição de diversos substratos submetidos a fermentação anaeróbica ..... 83

TABELA 18 - Equivalência anual de produtos do biodigestor com produtos comerciais....... 84

TABELA 19 - Despesas para construção do biodigestor ......................................................... 85

LISTA DE SÍMBOLOS

Símbolos Nome

CB / Relação benefício custo

D Diâmetro do biodigestor

gD Diâmetro do gasômetro

GBE Equivalência energética entre gasolina e biogás

EI Eficiência de irrigação

mE Demanda mensal de energia

f Fator de reposição

hs Horas de funcionamento diário do motor

H Altura do biodigestor

gH Altura do gasômetro

mH Altura manométrica do sistema

rH Altura real do gasômetro

L Profundidade efetiva das raízes da gramínea

bL Lâmina bruta

lL Lâmina líquida

AN Número de aspersores

p Altura adicionada devido à pressão de trabalho do biodigestor

P Potência

hP Potência hidráulica

hbP Potência da bomba hidráulica

mP Potência do motor elétrico

mcP Potência do motor elétrico encontrado comercialmente

PDB Produção diária do biogás

pQ Vazão por parcela

AQ Vazão do aspersor

BGMQ Vazão do biogás

TQ Vazão total do sistema de irrigação

it Horas de funcionamento diário

BGt Tempo diário de funcionamento do motor com biogás

RETT Tempo de retenção

TIR Taxa interna de retorno

asV Volume de água armazenado no solo

agV Volume de água bombeado diariamente usando gasolina

gV Volume do gasômetro

lapV Volume líquido aplicado por parcela

tapV Volume total aplicado por parcela

AV Incremento no volume do gasômetro devido a pressão p

BGV Volume total de água aplicado usando biogás

BIOV Volume do biodigestor

DEJV Vazão de dejetos

EBGV Consumo específico de biogás por m3 de água

EGV Consumo específico de volume de água por litro de gasolina

TGV Consumo de gasolina em 5 horas

VPL Valor presente líquido

ccθ Umidade na capacidade de campo

ppθ Umidade no ponto de murcha permanente

eaγ Peso específico da água

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO................................ .............................................................................. 15

2. BIODIGESTOR: CONVERSOR BIOLÓGICO DE ENERGIA SOLAR................ 16

2.1 Introdução........ ............................................................................................................. ...16

2.2 Importância energética da biomassa ............................................................................. 16

2.3 Classificação da energia da biomassa............................................................................ 18

2.4 Processos de conversão energética da biomassa........................................................... 21

2.5 Energia a partir do processamento de biomassa em biodigestores ............................ 23

2.5.1 Características da caprinocultura..................................................................................23

2.5.2 O custo de produção de energia elétrica .......................................................................25

2.5.3 O Biodigestor................................................................................................................25

2.5.4 Tipos de biodigestores ..................................................................................................26

2.5.5 Matéria-prima do biodigestor .......................................................................................28

2.5.6 O biogás ........................................................................................................................28

2.5.7 Características do biogás ..............................................................................................29

2.5.8 Emprego do biogás .......................................................................................................29

2.5.9 Equivalência energética do biogás ...............................................................................30

2.5.10 Estado da Arte do uso de biodigestores........................................................................31

2.6 Considerações finais do capítulo .................................................................................... 43

3. INSTALAÇÃO E OPERAÇÃO DO BIODIGESTOR EM PENTECOSTE, CE..... 44

3.1 Localização da área de estudo........................................................................................ 44

3.2 Implantação e operação do biodigestor utilizando esterco de caprino....................... 45

3.2.1 Dimensionamento do biodigestor .................................................................................48

3.2.2 Construção do biodigestor ............................................................................................53

3.2.3 Operação do biodigestor ...............................................................................................55

3.3 Instrumentação para monitoramento de parâmetros.................................................. 65

3.3.1 Sensor para o monitoramento da produção de biogás ..................................................65

3.3.2 Sensor para monitoramento da temperatura da mistura do digestor.............................66

3.3.3 Sistema de monitoramento e aquisição de dados .........................................................66

3.3.4 Medidor de vazão para gás e cromatógrafo gasoso ......................................................67

3.4 Demanda de energia elétrica para irrigação de um hectare de pastagem ................. 68

3.5 Funcionamento do sistema de irrigação........................................................................ 71

3.6 Metodologia para avaliação da equivalência energética do biogás ............................ 72


4. ANÁLISES E RESULTADOS DO USO ENERGÉTICO DO BIOGÁS................... 74

4.1 Introdução....... ............................................................................................................... ..74

4.2 Avaliação da evolução de produção diária do biogás de esterco caprino .................. 74

4.3 Composição química do biogás e esterco de caprino ................................................... 76

4.4 Equivalência energética do biogás produzido............................................................... 76

4.5 Contribuição energética do biogás para o sistema implementado ............................. 81

4.6 Considerações sobre o biofertilizante de esterco caprino............................................ 82

4.7 Análise financeira ............................................................................................................ 84

4.7.1 Investimento .................................................................................................................85

4.7.2 Custos de operação e manutenção ................................................................................86

4.7.3 Receitas.........................................................................................................................86


5. ANÁLISE DO BIODIGESTOR COM A FERRAMENTA GDER ........................... 89

5.1 Introdução....... .............................................................................................................. ...89

5.2 Aplicação da ferramenta GDER .................................................................................... 89


6. CONCLUSÃO................................. .................................................................................98

7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS.........................................................................101

APENDICE A – Trabalhos Públicados Durante a Realização do Mestrado..................109

APENDICE B – Análise do Biofertilizante de Esterco Caprino.......................................110

1. INTRODUÇÃO

As fontes alternativas de energia despertam interesse no mundo todo, devido ao

fato de seu uso ser ambientalmente correto, e no Brasil isso não poderia ser diferente, pois sua

matriz energética é composta de 45,1% com energia renovável, segundo dados do Ministério

de Minas e Energia de 2007. Grande parte dessa energia vem de hidroelétricas que precisam

de rios perenes para viabilizar sua construção. A região semi-árida brasileira, no entanto, não

conta com rios com essa característica. Nesse caso, a energia utilizada no abastecimento dessa

região brasileira precisa ser transportada a grandes distâncias através de linhas de

transmissão, gerando custos de implantação e manutenção dessas redes. Por outro lado, outras

fontes renováveis de energia como a solar, eólica e biomassa estão presentes no semi-árido,

logo um caminho a ser seguido para um desenvolvimento sustentável dessa região é promover

a pesquisa e a disseminação destes meios alternativos de energia. Pensando assim, avaliar o

potencial energético de biomassa exclusiva do semi-árido pode trazer benefícios econômicos,

ambientais e energéticos à região.

A promoção de políticas públicas que promovam a sustentabilidade de

fornecimento de energia por intermédio de fontes alternativas de energia pode resolver a

deficiência de fornecimento elétrico para populações rurais de baixa renda (CARVALHO &

COELHO JUNIOR, 2007), nesse contexto o uso de biomassa local para produção de energia

é uma opção interessante.

A criação de caprinos é um sistema produtivo praticado no Brasil e que está

concentrado no semi-árido nordestino. Os detritos desses animais, se processados por

biodigestores através da digestão anaeróbica, produz biogás e biofertilizante. O biogás é o

resultado energético da biomassa (detritos caprinos) avaliado nesta dissertação; no entanto, o

biofertilizante não pode ser esquecido, pois representa o fator que promove a viabilidade

financeira de implantação do sistema.

Assim este estudo teve por objetivo avaliar a equivalência energética do biogás de

esterco caprino e determinar a contribuição de energia do biogás produzido pelo esterco

caprino de 50 animais para um sistema de irrigação em uma área de 1 hectare.

2. BIODIGESTOR: CONVERSOR BIOLÓGICO DE ENERGIA SOLAR

2.1 Introdução

Neste capítulo é apresentada a biomassa, sua definição e importância para a

produção energética mundial mostrando também a classificação da energia advinda da

biomassa e seus processos de conversão. Esta dissertação tem seu foco principal no biogás

produzido pelos detritos de caprinos; desta maneira, a importância da caprinocultura é o

assunto que será tratado a seguir. O biodigestor foi o meio utilizado para fazer o

processamento dos detritos dos caprinos. Em decorrência desse fato o tema biodigestor é

analisado com mais profundidade.

2.2 Importância energética da biomassa

A energia da biomassa é a conversão de parte da energia solar irradiada sobre o

planeta por intermédio de sistemas biológicos. A Figura 1 faz a comparação gráfica entre o

consumo anual de energia do planeta e a energia de irradiação anual do Sol sobre a Terra,

além de outras fontes energéticas. O cubo que representa o consumo anual de energia do

planeta (o menor cubo da Figura 1) é menor que 1% do cubo que faz a representação da

energia irradiada anualmente (o maior cubo da Figura 1) sobre o planeta e como a biomassa

pode converter aproximadamente 1% desta, isto justifica a procura por técnicas de conversão

da energia da biomassa.

FIGURA 1 - Consumo e recursos de energia no mundo (MME, 2005)

17

O biogás é um produto de conversão energética da biomassa que pode substituir

energéticos advindos do petróleo (gás natural, gasolina e diesel). A Figura 2 mostra a

estimativa do custo do barril de petróleo para os próximos anos, validando a necessidade de

pesquisas de novas fontes de energia que venham a substituir o petróleo na geração de energia

para cozimento e uso em motores de combustão.

FIGURA 2 - Estimativa do custo do petróleo (RAPLUS, 2005)

A biomassa é o termo que define a matéria vegetal gerada através da fotossíntese

e os seus derivados. Tais como: resíduos florestais e agrícolas, resíduos animais e a matéria

orgânica contida nos resíduos industriais, domésticos, municipais, etc. Estes materiais contêm

energia química provinda da transformação energética da radiação solar. Essa energia

química pode ser liberada diretamente por combustão, ou convertida através de algum

processo em outras fontes energéticas mais adequadas, para um fim qualquer desejado, tal

como biogás, álcool e o carvão vegetal. Aproveitando aproximadamente 1% do total da

radiação solar incidente sobre a terra, estima-se que anualmente sejam produzidas, pelo

processo de fotossíntese, cerca de 61.111 GWh, ou seja, mais que 10 vezes a energia global

consumida por ano no nosso planeta (SMIL, 1985). O total de energia existente na cobertura

18

vegetal da Terra, incluindo-se as florestas tropicais e temperadas, as savanas e campos, é

estimado como sendo cerca de 100 vezes o consumo atual de energia ao longo de um ano na

terra. Naturalmente só uma parte desta enorme quantidade pode ser utilizada para atender as

necessidades humanas, porém estes números servem para dar uma idéia da importância que

tem o potencial energético da biomassa (NOGUEIRA & LORA, 2003).

2.3 Classificação da energia da biomassa

A energia oriunda da biomassa pode ser classificada de diversas maneiras,

entretanto deve-se reconhecer que aos fluxos de energia de biomassa são associados os

biocombustíveis os quais, por sua vez, podem ser apresentados em três grupos principais, de

acordo com a origem da matéria que os constitui. Dessa forma, existem os combustíveis de

plantação não florestal (agrocombustíveis), biocombustíveis da madeira

(dendrocombustíveis), e os resíduos urbanos (NOGUEIRA & LORA, 2003). Os

agrocombustíveis apresentam um subgrupo descrito como subprodutos animais, e neste

subgrupo está inserido o resíduo gerado pela caprinocultura, contexto deste trabalho de

pesquisa. Na Tabela 1 pode-se observar a classificação dos biocombustíveis, que será descrita

com mais detalhes a seguir. Trata-se de uma descrição simples, apresentando os recursos, de

maneira a comparar os tratamentos típicos utilizados nos estudos energéticos e florestais, e

em comparação com fontes distintas.

19

TABELA 1 - Classificação dos biocombustíveis (NOGUEIRA & LORA, 2003)

1º 2º Definição

Combustíveis

diretos da madeira

Madeira produzida para fins

energéticos, usada direta ou

indiretamente como combustível.

Combustíveis

indiretos da

madeira

Inclui biocombustíveis sólidos,

líquidos ou gasosos, subprodutos da

exploração florestal e resultantes do

processamento industrial da madeira

para fins não energéticos.

Biocombustíveis da

madeira

(dendrocombustíveis)

Combustíveis de

madeira

recuperada

Madeira usada direta ou indiretamente

como combustível, derivada de

atividades socio-econômicas que

empregam produtos de origem

florestal.

Combustíveis de

plantações

energéticas

Tipicamente combustíveis sólidos e

líquidos produzidos a partir de

plantações anuais, como é o caso do

álcool da cana-de-açúcar.

Subprodutos

agrícolas

Principalmente resíduos de colheitas e

outros tipos de subprodutos de

culturas, como palhas e folhas.

Subprodutos

animais

Basicamente esterco de aves, bovinos,

caprinos e suínos.

Agrocombustível

Subprodutos

agroindustriais

Subprodutos de agroindústrias, como

bagaço de cana e casca de arroz.

Resíduos urbanos Resíduos sólidos e líquidos gerados em

cidades e vilas.

Biocombustível da madeira (dendrocombustível): A lenha é o elemento básico

deste combustível, e pode ser produzida e obtida de maneira sustentável de florestas

cultivadas ou nativas, respeitando limites que possibilitem a regeneração natural de tais

florestas, ou também obtida por desmatamento de formações nativas com o intuito, neste

20

caso, de obter terras para atividades agropecuárias. Estes combustíveis também são obtidos

por meio de atividades que processam ou utilizam a madeira com finalidade não

exclusivamente energética, como por exemplo, em indústrias de celulose e serrarias. O

conteúdo energético acumulado nesta classe de biomassa está associado basicamente aos

conteúdos de celulose e lignina presentes na biomassa em questão, apresentando, em geral,

baixa umidade e adotando preferencialmente rotas termoquímicas de transformação para seu

uso final, como nos sistemas de carbonização ou combustão. Outros exemplos mais

complexos de combustíveis de origem florestal são: o carvão vegetal, o licor negro

(subproduto da indústria de celulose) e o metanol ou álcool metílico, produzido a partir da

madeira.

Agrocombustíveis: São obtidas de culturas produzidas anualmente. Apresentam

maior umidade que os biocombustíveis florestais. Seu uso, em geral, necessita primeiramente

de uma conversão em outro produto energético mais adequado. Nesta classe tem-se, por

exemplo, a cana-de-açúcar, cujo valor energético está associado ao conteúdo de celulose,

amido, açúcares e lipídios que, por sua vez, determinam o tipo de produto energético que se

pode obter. Os resíduos provenientes do processamento e da produção agrícola, também

podem ser denominados biocombustíveis não florestais, aqui também há necessidade de um

pré-processamento da biomassa, em que o uso de biodigestores é uma prática comum. Como

exemplos destes subprodutos agrícolas têm-se: aqueles produzidos em propriedades agrícolas

e que estão diretamente associados à produção de vegetais; subprodutos de origem animal,

basicamente diversos tipos de esterco e subprodutos agroindustriais e aqueles que resultam do

processamento de produtos agrícolas, como é caso do bagaço de cana, e da casca de arroz.

Resíduos urbanos: Apesar da existência de materiais como o plástico e o metal, a

grande maioria do lixo e da parte orgânica das águas de esgotos é representada por biomassa.

O uso destes resíduos para fins energéticos pode trazer um beneficio considerável ao

ambiente, pois o processo gradualmente eliminaria materiais que provocam problemas

ambientais nas comunidades. A conversão em outros produtos energéticos basicamente é

definida de acordo com a umidade, podendo ser utilizado desde a biodigestão anaeróbica até

os sistemas de combustão direta.

É valido perceber que, de forma geral, quando os materiais ou produtos são

obtidos diretamente da natureza, os energéticos podem ser considerados como primários,

como exemplo podemos citar a lenha e a cana-de-açúcar, ou secundários como o carvão

vegetal produzido a partir da madeira, e o álcool produzido a partir de substâncias

21

fermentáveis que são combustíveis resultantes de processos de conversão dos combustíveis

energéticos primários. É difícil a classificação de algumas biomassas, como é o caso de

resíduos vegetais na etapa inicial de transformação em carvão vegetal, ou mesmo os óleos

vegetais produzidos a partir de produtos derivados das árvores, como é o caso do dendê, que

poderia ser considerado um dendrocombustível ou um agrocombustível. A classificação da

energia da biomassa também pode ser feita pelas rotas tecnológicas a serem adotadas para sua

utilização ou seu grau de desenvolvimento tecnológico. Segundo esta última classificação

pode-se ter a energia de biomassa tradicional, como a lenha, o carvão vegetal, a palha e casca

de arroz, os resíduos vegetais e animais, recursos bastante conhecidos e utilizados, e a

bioenergia moderna associada aos resíduos da utilização industrial da madeira, o bagaço de

cana, as culturas energéticas e os resíduos urbanos, de difusão mais restrita ou em fase de

desenvolvimento. Mas, além de buscar uma classificação adequada, é importante ter em

mente, sempre que possível, a origem e a utilização de um determinado biocombustível, para

efeito de reconhecer impactos e potenciais.

2.4 Processos de conversão energética da biomassa

Segundo (NOGUEIRA & LORA, 2003) a energia acumulada na biomassa está na

forma de energia química, sendo necessárias reações químicas para a sua liberação, podendo

então ser usada para realização de trabalho útil, que pode ser a produção de calor. Em muitas

situações específicas, o emprego da biomassa requer uma conversão para uma melhor

adequação do seu uso ou transporte, devido principalmente a natureza sólida da biomassa.

Pode-se citar como exemplo a utilização da energia da biomassa em motores de combustão

interna, pois a matéria-prima deve sofrer processos de conversão que a transformam em

combustível gasoso ou líquido para serem usados nos motores. Geralmente, pode-se dizer que

a utilização da energia da biomassa é o inverso da fotossíntese, pois se procura resgatar a

energia solar armazenada pelo vegetal, consumindo oxigênio atmosférico e restituindo ao ar o

dióxido de carbono. Os processos de conversão energética da biomassa podem ser

classificados em três grupos: processos físicos, termoquímicos e biológicos. A Figura 3

mostra um esquema destes processos indicando os reagentes e produtos principais, que podem

ser energia para uso final ou combustível intermediário.

Como processos físicos, considera-se a obtenção de óleos vegetais por prensagem,

redução granulométrica e a densificação, nestes casos a composição química da biomassa não

é afetada. A principal característica dos processos termoquímicos é a temperatura alta e

22

incluem a combustão direta, gaseificação, pirólise e liquefação. Entre os processos de

transformação biológica, a fermentação alcoólica e a digestão anaeróbia são os mais

utilizados e se desenvolvem geralmente na presença de biomassa com elevado teor de

umidade e temperaturas próximas da temperatura ambiente.

FIGURA 3 - Processos de conversão energética da biomassa (NOGUEIRA & LORA, 2003).

23

2.5 Energia a partir do processamento de biomassa em biodigestores

Nos sistemas produtivos de qualquer natureza, a geração de resíduos gera um

problema para o produtor, que muitas vezes não sabe o que fazer com esses resíduos, pois os

mesmos geralmente poluem o meio ambiente de alguma forma (AMORIM, 2005), além de

demandar espaço para armazenamento. Na caprinocultura isto é evidente, pois os detritos

gerados pelos animais funcionam como proliferadores de doenças e contaminação do lençol

freático. Atualmente, a elevação do custo e escassez de energia e a necessidade de fertilizante

natural para recuperação do solo são outros problemas que afligem o homem moderno

A solução desses problemas poderá ser o processamento de biofertilizante e

biogás pelo emprego de biodigestores e, dessa forma, pode-se agregar valor ao sistema de

produção de caprinos, pois além da produção de carne, leite e couro, ter-se-ia, também, a

produção de biofertilizante e geração de energia.

Como o contexto desta dissertação trata basicamente do processamento do resíduo

da caprinocultura, haverá um aprofundamento sobre a utilização dessa matéria-prima para a

produção de energia limpa, através do biogás advindo deste subproduto.

2.5.1 Características da caprinocultura

A criação de animais na região semi-árida nordestina remonta ao período colonial

e decorreu em sua fase inicial da necessidade de suprir as necessidades de alimentos das

populações litorâneas. No século XVIII, a pecuária atingiu seu período áureo, atribuindo-se o

sucesso do modelo, em grande parte, à fertilidade natural dos solos, à lotação animal

adequada e à rotação de pastagens. O sistema mantinha em equilíbrio a exploração econômica

com o meio ambiente.

Com o crescimento da demanda de alimentos e matérias-primas, a agricultura

invadiu os campos e destruiu as matas secas, antes somente ocupadas pela pecuária. A partir

do século XVIII, a região cogitou do algodão como elemento comerciável, ocupando esta

cultura, em poucos anos, todo o sertão. Iniciou-se o “ciclo agropecuário”, vivendo-se de

algodão e gado. A expansão algodoeira arrastou como subsidiária a lavoura de subsistência

para as zonas mais secas dos sertões. Desenvolveu-se, rapidamente, uma policultura itinerante

e extrativa, caracterizada pela baixa produtividade, alta dependência climática e depredadora

do meio ambiente. A pecuária foi gradativamente sendo confinada em áreas marginais.

Praticava-se o superpastejo e depredava-se o ecossistema. As pastagens, antes exuberantes,

24

foram gradativamente ocupadas por plantas invasoras sem nenhum valor forrageiro. Com o

tempo, a pecuária também tornou-se instável e a produtividade caiu, por conta do

desconhecimento da fragilidade do ecossistema do semi-árido, de cujo meio ambiente se

passou a exigir mais do que o ecossistema poderia dar.

Assim, é fundamental pensar-se em sistemas produtivos para o semi-árido que

combinem a preservação do ecossistema, níveis adequados de produtividade, diminuição do

risco ante a instabilidade do clima, de forma que possibilitem ao produtor rural ser

competitivo no atual contexto econômico.

Na busca pela sobrevivência, o homem moderno adota sistemas produtivos de

larga escala, que gera impactos sobre o meio ambiente. A magnitude dessas modificações

geralmente é proporcional à gama de energia utilizada na planta. Adequar à produção animal

a necessidade de mercado e manter a sustentabilidade ambiental é um grande desafio dos

sistemas produtivos modernos (ATKINSON & WATSON 1996).

A tendência da caprinocultura brasileira é aumentar o número de animais alojados.

Potencializando os problemas decorrentes da geração de resíduos desse sistema de produção.

No entanto, esses resíduos sendo bem remanejados, se tornaram importante fonte de renda,

transformando-se de um problema em uma vantagem, gerando recursos e diminuindo

despesas, somando-se aos produtos carne e leite para viabilizar economicamente os criatórios.

Atualmente, a China possui o maior rebanho mundial, com 148,4 milhões de

cabeças, o que representa 20% do efetivo mundial, seguida pela Índia e o Paquistão. O Brasil

fica na décima colocação, com um rebanho de 12,6 milhões de cabeças, cerca de 2% do

rebanho mundial (RIBEIRO & RIBEIRO, 2001). A distribuição geográfica do efetivo caprino

brasileiro, pelos dados do IBGE (2006), apresenta um padrão idêntico ao mundial.

Considerando-se as regiões Sul e Sudeste como desenvolvidas e Norte, Centro-Oeste e

Nordeste como em desenvolvimento, 6,8% dos caprinos estão no primeiro grupo e 93,2% no

segundo. Vale ressaltar que cerca de 90% do rebanho nacional está na região Nordeste, onde

prevalecem condições edafoclimáticas desfavoráveis. Nessa situação, os caprinos assumem

grande importância social, pois chegam a ser a única fonte de renda em determinadas

circunstâncias e deles depende a sobrevivência de muitos nordestinos (RIBEIRO &

RIBEIRO, 2001).

Segundo El Aich & Waterhouse (1999) a criação de ovinos e caprinos se justifica

pela elevada capacidade de adaptação destes animais, sobretudo dos caprinos, em locais como

regiões de estepe, de rochas, declives ou mesmo consideradas pobres e, portanto desprezadas

25

para a agricultura. Desta forma, os pequenos ruminantes representam importante papel na

diversificação da economia, sendo capazes de transformar recursos marginais em produtos de

qualidade (carne, leite, lã ou pelos, couro e esterco). Ainda sob a visão destes autores, a

produção de pequenos ruminantes seria mais vantajosa do que qualquer outra espécie animal

pela elevada rusticidade e prolificidade. Por contribuir em menores proporções com desgastes

do solo (erosão pelo pastejo e/ou demanda de alimento), fácil adaptação se alimentados com

resíduos de colheitas e menor emissão de metano (em comparação com bovino), entre outras

vantagens.

2.5.2 O custo de produção de energia elétrica

A conversão da biomassa em energia elétrica também é estimulada

particularmente no Brasil devido ao seu custo de produção, é a fonte que apresenta o segundo

menor custo (Tabela 2), perdendo apenas para a hidroelétrica. A produção de biomassa é

proporcional a fatores como luminosidade, temperatura e água, condições amplamente

atendidas em praticamente todo o território brasileiro.

TABELA 2 - Custo de produção da Energia Elétrica a partir de diversas fontes( MME, 2005)

Tipo Preço (R$/MWh)

Hidroelétrica 112,00

Biomassa 120,00

Nuclear 140,00

Carvão Mineral 145,00

Gás Natural 150,00

Óleo Combustível 175,00

Eólica 232,00

Spot 235,00

2.5.3 O Biodigestor

O biodigestor é um sistema utilizado para produzir biogás e biofertilizante usando

a biomassa como fonte de matéria-prima. Em geral, o biodigestor é formado pelos seguintes

componentes básicos: tanque de processamento da biomassa, gasômetro, caixa de carga da

matéria orgânica, caixa de descarga do biofertilizante, saída de biogás e tubo guia. A Figura 4

apresenta um exemplo de biodigestor baseado no modelo indiano.

26

Cada componente e material utilizado no biodigestor têm uma definição

específica, o digestor é uma câmera onde se processa a biodigestão anaeróbica, essa câmera

trabalha em conjunto com o gasômetro, que é o recipiente responsável pelo armazenamento

do gás produzido pelas bactérias anaeróbicas. O tempo que o material passa no interior do

digestor é denominado tempo de retenção, esse material colocado no interior do digestor é de

origem orgânica e passa pelo processo de fermentação anaeróbica, essa é a matéria-prima

utilizada no biodigestor. A caixa de carga recebe o influente, que é a matéria-prima

convenientemente diluída com água e o efluente é o material que sai do biodigestor após ter

sofrido o processo de fermentação anaeróbica.

FIGURA 4 - Componentes do biodigestor

2.5.4 Tipos de biodigestores

O manejo do carregamento da matéria-prima nos biodigestores traz a seguinte

classificação para os mesmos (PRAKASAN et. al, 1987):

• de batelada: câmaras são hermeticamente fechadas com a matéria-prima no interior;

cessada a produção de biogás o digestor é aberto e retirados os resíduos; após a limpeza é

colocada nova quantidade de matéria-prima;

27

• contínuos: a matéria-prima é colocada diariamente.

Os biodigestores também podem ser classificados de acordo com a posição sobre

o solo:

• vertical: constituído de um tanque cilíndrico com a maior parte submersa no solo; a

matéria-prima é colocada na parte inferior com a saída do gás na parte superior;

• horizontal: constituído de uma câmara com a altura inferior às outras dimensões (modelo

chinês).

A literatura (PRAKASAN et. al, 1987) e (SGANZERLA, 1983) apresenta

diferentes modelos de biodigestores, sendo os principais o indiano e o chinês. A Tabela 3

mostra suas principais diferenças e características.

TABELA 3 - Características comparativas entre o modelo indiano e o chinês

(PRAKASAN et. al, 1987)

Características Biodigestor indiano Biodigestor chinês

Finalidade

principal

Produção de gás Produção de fertilizantes

Construção Depósito cilíndrico de

alvenaria fácil de construir;

Gasômetro de difícil

instalação por não poder

ser construído no local de

utilização

Tanque de concreto com câmara de

efluente adjacente que requer

conhecimento na construção para evitar

escapamento de gás

Armazenamento

do gás

Gasômetro flutuante que

necessita de pintura contra

corrosão

Não tem gasômetro; o gás é

armazenado na própria câmara de

fermentação

Pressão do gás Baixa, de 7 a 15 cm de

coluna de água e estável

devido à flutuação do

gasômetro

Alta, acima de 15 cm de coluna de água

e variável

O exemplo adotado nessa dissertação fundamentou-se no modelo indiano. As

principais características desse modelo são:

-carregamento diário dos detritos;

-produção constante de biogás e biofertilizante;

28

-sistema de armazenamento de gás através de uma campânula móvel, para

estabilizar a pressão do fornecimento do biogás.

2.5.5 Matéria-prima do biodigestor

A produção da matéria-prima para uso no biodigestor é o primeiro fator que deve

ser avaliado pelo futuro usuário do biodigestor. O usuário deve fazer uma avaliação diária da

disponibilidade de biomassa da sua propriedade. Abaixo, a Tabela 4 evidencia esses índices.

TABELA 4 - Produção diária dos resíduos de animais (kg/dia/animal)

Animais adultos (MANERA, 1986) (PRAKASAN et. al, 1987)

Bovinos 15 23

Eqüinos 10 16

Suínos 2,25 3,4

Caprinos 1,3

Aves 0,18 0,04

Ovinos 2,80

Outra informação importante que o usuário deve ter conhecimento é a quantidade

de biogás produzida. A Tabela 5 apresenta algumas produções de biogás em função da fonte

do resíduo orgânico.

TABELA 5 - Produção de esterco e biogás de diferentes dejetos (NOGUEIRA, 1985)

Espécie animal Produção de esterco

(kg.animal.dia)

Produção de biogás

(m3/animal.dia)

Bovinos 10,0 0,360

Eqüinos 10,0 0,360

Búfalos 15,0 0,550

Suínos (50kg) 2,5 0,180

Aves (2,5 kg) 0,18 0,011

2.5.6 O biogás

Em 1776, Alessandro Volta, utilizando material vegetal em decomposição,

realizou as primeiras experiências de obtenção de gás. A caracterização desse gás foi

realizada em 1806 por Willam Henry, chamando-o de gás metano. Nesse mesmo período,

29

Humphrey Davey encontrou a presença de metano em esterco de animais. Foram os cientistas

franceses na Argélia que desenvolveram e aperfeiçoaram um processo de obtenção de gás no

meio rural, fazendo o uso de esterco de animais, fato ocorrido em 1940.

O processo de digestão é uma transformação biológica da matéria-prima; além

dessa transformação há um deslocamento físico da matéria-prima no interior do digestor. Se

houver traços de oxigênio no local onde ocorre a bactéria anaeróbica responsável pela

digestão, a sobrevivência desta fica comprometida. O influente traz oxigênio na mistura, esse

fato determina o tempo de retenção na mistura no disgestor, pois todo o oxigênio tem que ser

eliminado para começar a digestão. Existem bactérias que consomem este oxigênio residual.

Após o consumo de todo oxigênio, o processo de digestão é iniciado, nessa etapa há

envolvimento de uma série de reações em que participam várias espécies de bactérias

anaeróbicas presentes na matéria orgânica (PRAKASAN et. al, 1987).

O processo de digestão anaeróbica pode ser resumido em três etapas:

a) hidrólise: as bactérias liberam enzimas que irão promover a hidrólise das partículas e

transformar as moléculas maiores em moléculas menores e solúveis no meio

b) formação de ácidos: substâncias orgânicas são oxidadas para ácidos voláteis

c) fermentação metanogênica: bactérias convertem os ácidos voláteis produzidos na fase

anterior em metano e dióxido de carbono; a mistura desses gases é conhecida como biogás

(ASTEF, 1981).

2.5.7 Características do biogás

A composição do biogás varia de acordo com o tipo de biomassa, porém sua

composição básica é de 50 – 60% de CH4, 30 – 45% de CO2, 5 – 10% de hidrogênio, 1 – 2%

de nitrogênio e traços de gás sulfídrico e oxigênio. O principal componente do biogás é o

metano, é um gás incolor, sem cheiro, altamente combustível, que quando queima apresenta

chama azul-lilás e pequenas manchas vermelhas, sem deixar fuligem. O poder calorífico do

biogás varia de acordo com a quantidade de metano existente composição, podendo atingir de

5.000 a 6.000 quilocalorias por metro cúbico (SGANZERLA, 1983).

2.5.8 Emprego do biogás

O biogás pode ser utilizado para aquecimento em fogões, estufas, aquecedores de

água, geladeiras e outros aparelhos. Atualmente, motores de combustão interna com

adaptação para biogás já se encontram disponíveis no comércio. Esses motores vêm

30

acoplados a bombas de água, geradores, ensiladeiras, etc. O consumo do biogás nos

equipamentos pode variar, devido à eficiência destes, ou mesmo à origem do biogás. A

Tabela 6 apresenta a demanda dos principais empregos do biogás.

TABELA 6 - Demanda de biogás

Uso / Fonte (PRAKASAN et. al, 1987) (ASTEF, 1981)

Cozimento 0,33 m3/pessoa dia 0,30 m3/pessoa/dia

Iluminação (lampião) 0, 105 – 0,13 m3/h 0,10 m3/h

Motor 0,45 m3/HP/h 0,45 m3/HP/h

Geladeira 2,20 m3/dia 3,0 m3/dia

2.5.9 Equivalência energética do biogás

Fazer a comparação do biogás com outras formas de combustíveis é bastante

relevante porque desta maneira podemos quantificar o valor energético e comercial deste

combustível. A Tabela 7 mostra como alguns autores descreveram a relação entre o biogás e

alguns combustíveis comerciais e de uso difundido na sociedade.

TABELA 7 - Equivalência energética de 1 m3 de biogás

(PRAKASAN et. al, 1987) (MANERA,1986) (ASTEF,1981)

Gasolina 0,52 L 0,613 L 0,5 L Óleo diesel 0,55 L 0,553 L 0,53 L Querosene 0,56 L 0,579 L 0,53 L Óleo combustível - - 0,56 L Álcool - 0,790 L 0,91 L Lenha com 10% de umidade

1,5 kg 1,536 kg 1,820 kg

Xisto - - 4,00 kg GLP - - 0,45 kg Carvão vegetal 0,8 kg - - Eletricidade - 1,428 kWh -

A Tabela 8 traz um exemplo da equivalência entre os produtos do biodigestor e

combustível e fertilizantes comerciais, agora mostrando a produção anual. Esta tabela

evidencia de forma mais explícita o valor energético do biogás e do biofertilizante.

TABELA 8 - Equivalência anual dos produtos do biodigestor (OTSUBO, 2003)

31

Produto Produção Produção anual

(100 suínos)

Equivalentes

Biogás 0,96-1,02 (m3/kg.MS) 9400-13900 m3 4260-6300 Diesel

Nitrogênio 0,045 (kg/100 kg P.

V.)

821 kg 1784 kg uréia

P2O5 0,031 (kg/100 kg P.V.) 574 kg 1190 kg Superfosfato triplo

MS: Matéria seca. P.V.: peso vivo

2.5.10 Estado da Arte do uso de biodigestores

O consumo de energia mundial cresce 2% ao ano. No período de 1993 a 2002

alguns países asiáticos em desenvolvimento tiveram 37,3% de aumento no seu consumo

energético, nesse mesmo período o aumento do consumo de energia mundial foi de 14,2%.

Países em desenvolvimento no mundo todo apresentam essa característica, como pode ser

visto na Tabela 9.

TABELA 9 - Crescimento do consumo de energia em várias regiões do globo (BHATTACHARRYA, 2004).

País/região Crescimento

Bangladesh 80,8%

China 31,6%

Índia 46,2%

Tailândia 69,7%

Regiões da Ásia no Pacífico 37,3%

África 28,3%

América do Sul e América Central 21,6%

Japão 9,2%

Mundo 14,2%

Esse crescimento de consumo de energia nos países em desenvolvimento deve ser

acompanhado da difusão da tecnologia dos biodigestores para diminuir as emissões dos gases

do efeito estufa. Países em desenvolvimento como o Brasil, no ano de 1980 usavam a

biomassa tradicional (madeira, carvão vegetal) para prover 35,5% da energia total consumida.

Em 1997 esse percentual baixou para 28,7%, mas o consumo de madeira subiu para 15%

32

(BHATTACHARRYA, 2004). Usar biodigestores, nesse caso, é uma maneira de diminuir o

desmatamento.

Países do mundo inteiro têm pesquisas com digestão anaeróbica e muitos deles já

produzem comercialmente o biogás. Na Europa essa produção é difundida por várias razões.

A produção de biogás é economicamente viável, as instalações têm operação simples e são

facilmente montadas, eletricidade e calor podem ser gerados sem emissão de dióxido de

carbono, a emissão de metano é reduzida, pois evita o armazenamento de dejetos dos animais

e melhora a qualidade do biofertilizante. Essas são algumas vantagens que têm levado os

europeus para a produção do biogás (TIJMENSEN, 2004).

Em 1995 a produção de energia da União Européia com fontes renováveis era de

aproximadamente 300 TWh chegando a 400 TWh em 2005, isso representa 30% de aumento

da produção com fontes renováveis. Isso é 15% da demanda total de energia (2700 TWh)

desse grupo de países.

O biogás é o combustível obtido da biomassa mais difundido pelos países que

compõem a União Européia. O metano é produzido a partir do lixo de aterro sanitário,

digestão anaeróbica de dejetos de animais e restos de colheitas agropecuárias. Em 2005 a

produção de energia era de 205,8 x 109 MJ com um aumento anual de aproximadamente 25,2

x 109 MJ. O biogás produzido pela digestão anaeróbica de dejetos de animais e restos de

colheitas representa 17,2% dessa produção. A Inglaterra e a Alemanha são os países de maior

representatividade, sendo 39% e 35%, respectivamente, suas participações na produção total

de biogás.

De acordo com dados obtidos na literatura, e baseado na produção total de

resíduos possíveis de serem processados para produção de biogás desses países, teoricamente

a produção de biogás em 2020 deve ser aproximadamente de 756 x 109 MJ. A França seguida

da Alemanha e Inglaterra, são os países que terão a maior produção de biogás da União

Européia (Figura 5) (TRICASE & LOMBARDI 2008).

Uma vez produzido, o biogás pode ser utilizado como combustível em caldeiras

para geração de calor ou como combustível na produção de energia elétrica e também

combinando esses dois processos, aplicando as mais diversas técnicas, como a utilização em

motores de combustão, turbinas a gás, células combustíveis e microturbinas. Além dessas

aplicações, o biogás pode ser usado como combustível para automóveis e ser injetado na rede

de gás natural, sendo estas duas aplicações as que já despertam mais interesse.

33

SuéciaFrança Alemanha Inglaterra Itália Espanha Holanda Dinamarca

Prod

ução

de

biog

ás (

109

KJ)

SuéciaFrança Alemanha Inglaterra Itália Espanha Holanda Dinamarca

Prod

ução

de

biog

ás (

109

KJ)

FIGURA 5 - Potencial de biogás em 2020, para países da União Européia (TRICASE, &

LOMBARDI, 2008).

A diversificação do uso é devido à qualidade do biogás e essas características vêm

da fonte de produção e do tipo de tratamento dado a este gás. O tratamento é diferenciado

devido aos compostos químicos utilizados e ao nível de eliminação dos componentes

indesejados do biogás [como, nitrogênio (N2) e oxigênio (O2), gás sulfídrico (H2S), gás

carbônico (CO2) ou água (H2O)]. O custo da produção do biogás é influenciado pelo nível de

tratamento aplicado, aumentando o preço final da energia gerada. Se o processo de tratamento

é básico, a aplicação recomendada é o uso de caldeiras para geração de calor no local de

produção. Sendo mediana a purificação do biogás, a aplicação poderá ser em turbinas a gás ou

centrais que usam o calor para produção de energia elétrica. E finalmente, quando todos os

contaminantes são retirados, o metano (CH4) puro pode ser utilizado em veículos, células

combustíveis e injetado na rede de gás natural. A Figura 6 apresenta as aplicações em função

do tratamento. O processo de tratamento básico é a base da seta.

34

1. CALOR2. VAPOR

1. CALOR2. MOTORES A GÁS3. GERAÇÃO COMBINADA DE CALOR E ENERGIA

1. INJEÇÃO NA REDE DE GÁS2. PRODUÇÃO DE COMPOSTOS QUÍMICOS3. COMBUSTÍVEL PARA VEÍCULOS4. COMBUSTÍVEL PARA CÉLULAS COMBUSTÍVEIS

PRO

CESSO

DE TR

ATAM

ENTO

1. CALOR2. VAPOR

1. CALOR2. MOTORES A GÁS3. GERAÇÃO COMBINADA DE CALOR E ENERGIA

1. INJEÇÃO NA REDE DE GÁS2. PRODUÇÃO DE COMPOSTOS QUÍMICOS3. COMBUSTÍVEL PARA VEÍCULOS4. COMBUSTÍVEL PARA CÉLULAS COMBUSTÍVEIS

PRO

CESSO

DE TR

ATAM

ENTO

FIGURA 6 - Utilização do biogás em função do processo de tratamento (TRICASE,

LOMBARDI, 2008).

O processamento de biogás para injeção em redes de gás natural é baseado na

eliminação de gás carbônico (CO2), remoção de partículas do biogás, retirada da umidade,

remoção do gás sulfídrico e odorização do metano (CH4). Nas redes de gás natural de alguns

países da União Européia é admitido apenas de 3% - 6% de dióxido de carbono (CO2)

presente no biogás a ser injetado no sistema. Essa variação no percentual é devido ao fato da

diversidade de aplicação do gás natural. A passagem do biogás em líquido composto de

elementos químicos específicos, membranas específicas e uso de baixas temperaturas são

alguns métodos utilizados para excluir o dióxido de carbono. Esses processos têm custos

onerosos que podem até inviabilizar projetos de processamento de biogás, mas análises feitas

com dados de empresas que processam o biogás mostraram uma significativa redução nesse

custo quando o projeto trabalha com elevada quantidade de energia. O investimento inicial

para obter uma potência de saída de 0,5 MW pode chegar a 1.000.000,00 €/MW, por outro

lado se a instalação for de 2,5 MW o custo é de 200.000,00 €/MW. O custo operacional

também é reduzido com o aumento da potência, empresas que processam 50 m3/h de biogás

obtêm um custo de 2,5 centavos de € por kWh e aquelas que trabalham com o processamento

em torno de 400 m3/h têm o custo de produção reduzido para 0,6 centavos de € por kWh

(SCHULZ, 2004).

35

O uso do biogás em projetos de cogeração de energia elétrica é cerca de 2/3 do

total produzido na União Européia; na produção de calor, apenas 1/3 é utilizado. A taxa de

crescimento anual do uso de biogás é alta, em 2002 foi de 24%. Em 2003 a taxa de

crescimento foi menor em comparação com o ano anterior, sendo 13%, apesar desse fato, isso

representa um crescimento elevado. Em 2004 foi de 22% e 2005 chegou a 15%, o que mostra

o crescimento elevado do uso do biogás. O valor total de energia com uso de biogás

registrado em 2005 foi de aproximadamente 14.000 GWh (TRICASE & LOMBARDI, 2008).

O uso do biogás como combustível para veículos está em pleno crescimento

devido aos subsídios e políticas de difusão. Isenção de tributos, programas de investimento do

governo e estacionamento grátis para veículos que usam biogás são alguns exemplos dessas

ações de difusão. Esses incentivos são dados porque a queima do biogás não gera resíduos de

dióxido de carbono e nitrogênio nas emissões. Mesmo no caso da utilização do biogás em

veículos, o nível de dióxido de carbono presente na mistura deve ser de aproximadamente 3%

segundo normas dessas nações. Em 2005 havia apenas 1.600 estações de produção de biogás

na Europa, mas já em 2006, 1000 estações entraram em operação na Alemanha, 100 na Suíça

e 50 na Áustria. Na Alemanha, em uma comunidade agrícola, o sistema faz o processamento

de 50 m3 de biogás por hora, sendo injetado na rede de gás natural. Essa produção poderá

chegar a 400 m3/h. Alguns projetos de produção e processamento de biogás na Alemanha já

têm de 7 a 15 anos de operação. A Suécia se sobressai na utilização do biogás em veículos,

tendo uma frota de 779 ônibus e 4.500 automóveis usando biogás. No ano de 2000, utilizando

25.000 toneladas de esterco e 10.000 toneladas de refugo da produção agrícola a Suécia

instalou uma unidade que gerava cerca de 10 a 15 GWh/ano, em 2003 a geração de energia

elétrica do projeto já estava em 90 GWh/ano. O total de biogás produzido no país nesse

período era de aproximadamente 3,7 milhões de metros cúbicos por ano (SCHULZ, 2004).

Em 2004 a energia produzida pelo biogás na Suécia foi de 1,4 TWh. Estima-se que o país tem

um potencial de produção de 25 TWh, sendo 14 TWh vindos do setor agropecuário

(PARAWIRA, 2008).

Na Itália o uso de detritos agroindustriais e dejetos de animais na digestão

anaeróbica tiveram um crescimento vertiginoso a partir de 2001. A geração de eletricidade

utilizando biogás cresceu 2000% no período de 2001 a 2005. Em 2005 o biogás obtido a

partir de dejetos de animais gerou 26 GWh de energia elétrica (Tabela 10). A Tabela 10

mostra a utilização de outras fontes para geração de biogás (TRICASE & LOMBARDI,

2008).

36

TABELA 10 - Fontes de produção de biogás na Itália de 2001 a 2005.

Produção de biogás em GWh Tipo de material

2001 2002 2003 2004 2005

Esgoto 5 3 3 1 3

Detritos de animais 10 16 13 19 26

Aterro sanitário 665 822 910 1038 1053

Energia dos detritos colheitas e agro-

industriais.

5 102 102 110 110

Desde 1970 o governo chinês vem incentivando a produção de biogás em

residências do meio rural e, dessa maneira, fez a difusão dos biodigestores nessa área. A razão

dessa política era o desenvolvimento da produção de energia no meio rural e a redução das

emissões de gases do efeito estufa. Fontes de energia como o GLP, gás natural, eletricidade,

gasolina, carvão, palha e madeira foram substituídas pelo biogás. Analisando os dados do

consumo de biogás entre 1991 e 2005, a produção de energia foi de 832.749,13 TJ. A redução

de emissão do dióxido de carbono pela substituição dessas fontes de energia pelo biogás foi

de 73.157,59 Gg de CO2. Combinando a substituição das fontes de energia e a não emissão

de gases pelo correto manejo dejetos, a redução foi de 88.064,03 Gg CO2. A estimativa de

produção de biogás na China para 2010 é de 15,6 bilhões de m3, em 2020 é de 38,5 bilhões de

m3. A redução de emissão nesses anos será de 28.991,04 e 46.794,90 Gg de CO2,

respectivamente (YU et. al, 2008).

A utilização de estufas para melhorar o isolamento térmico dos biodigestores em

regiões montanhosas da Índia é uma das linhas de pesquisa desse país. A temperatura nessas

regiões da Índia varia de 25ºC a 2ºC. Em uma temperatura ambiente de 17ºC a estufa mantém

a temperatura do sistema experimental em 26,3ºC e 22,4ºC, produzindo de 39,1 a 34,6 litros

kg-1 dia-1 de biogás (KUMAR, 2008). Os indianos também procuram adicionar ao dejeto

bovino resíduos com alto potencial de produção de biogás. Aos resíduos da produção de óleo

de mostarda foram adicionados ao esterco bovino. O incremento na produção de biogás foi de

63,44% (SATYANARAYAN, 2008).

Na Tanzânia uma pesquisa utilizou resíduos agrícolas de uma cultura também

produzida no Nordeste brasileiro. O objetivo do trabalho foi verificar o potencial de produção

de biogás para os resíduos do processamento do sisal. Esses resíduos sofreram um pré-

processamento antes de passar pelo biodigestor para avaliar o ganho de produção de biogás

37

usando fibras de diversos tamanhos. As fibras foram cortadas em tamanhos de 2 a 100 mm. A

degradação do material de 2 mm aumentou de 31% para 70% em relação ao obtido sem o pré-

processamento (redução do tamanho das fibras). A produção de biogás para o material de 2

mm foi incrementada de 23%, sendo 0,22 m3 CH4/ kg de sólidos voláteis. A produção sem a

redução de tamanho é de 0,18 m3 CH4/kg de sólidos voláteis. Como a produção anual de

resíduos de sisal na Tanzânia é 148.000 toneladas, pode-se produzir anualmente 22 milhões

de m3 de CH4. Aplicando a redução para 2 mm no tamanho da fibra, obtém-se um adicional

de 5 milhões de metros cúbicos de biogás (MSHAMDETE, 2008).

Na América do Sul a Bolívia fez experimentos para avaliar biogás com dejetos de

bovinos e lhamas em altitudes elevadas. O experimento analisou a produção de metano para

variações de temperatura (11 e 35ºC), variação de pressão (495 e 760 mmHg) e tempo de

retenção hidráulica (20 e 50 dias). Apenas a temperatura alterou de forma efetiva a

produtividade. Com os dejetos dos bovinos obteve-se 33,6 litros CH4 kg-1 SV (Sólidos

Voláteis) em 11ºC e 131,3 litros CH4 kg-1 SV para a temperatura de 35ºC. Os dejetos de

lhama produziram 19,3 litros CH4 kg-1 SV em 11ºC, na temperatura de 35ºC a produção foi de

84,1 litros CH4 kg-1 SV (ALVAREZ, 2006).

A partir de 1949 várias instituições de pesquisa brasileiras se dedicaram à

pesquisa da digestão anaeróbica no meio rural. Segundo a Embrater, em 1986 o Brasil tinha

7.520 biodigestores instalados. Entretanto, com a redução do preço do petróleo, o interesse

por essa tecnologia acabou. Os biodigestores instalados foram desativados e a pesquisa dessa

tecnologia foi deixada em segundo plano.

Atualmente, biodigestores que utilizam a lona de PVC como gasômetro são os

mais usados para o processamento de dejetos de suínos. Produtores de suínos do Paraná se

associaram para, em conjunto, aplicar a tecnologia de produção de biogás e biofertilizante,

buscando auto-suficiência energética. Quando manejado adequadamente, esse biodigestor

pode produzir biogás com uma eficiência de produção variando entre 0,35 a 0,60 m³ de biogás

por m³ de biomassa. Para uma produção economicamente aceitável de biogás o manejo dos

dejetos na unidade produtora de suínos deve buscar obter a maior concentração possível de

Sólidos Voláteis e evitar o desperdício de água. O biogás pode substituir o GLP usado como

fonte de aquecimento ambiental de aviários e salas de creche. O biogás produzido

diariamente, pelos dejetos gerados por 400 suínos na fase de crescimento e terminação é

capaz de gerar energia térmica suficiente para aquecer o ambiente interno de um aviário,

mantendo a temperatura na faixa de conforto térmico, para a produção de 14.400 frangos de

38

corte (OLIVEIRA & HIGARASHI, 2006). Quando se produz biogás de esterco de suínos

para a utilização em processos que fazem a conversão em energia elétrica, o tempo de retorno

de investimento aproximado é de 2,45 anos para utilização dessa energia em horários de pico

de consumo (CERVI et al., 2008).

Segundo Oliveira (2004a) apud Oliveira e Higarashi (2006), a geração de energia

elétrica com o uso de biogás como combustível pode ser dividida, no momento, nas seguintes

tecnologias: um conjunto motor/gerador autônomo, sem ligação a matriz energética, e um

conjunto motor/gerador conectado a rede de energia. A primeira consiste em um motor de

combustão interna Ciclo Otto adaptado para uso do biogás como combustível. Esse motor é

acoplado a um motor assíncrono, de 2 ou 4 pólos, que passa a gerar energia ao ser conectado

à rede de energia elétrica da concessionária local. Neste caso, o equipamento gera energia

somente se o sistema da concessionária local estiver energizado, devido à característica do

gerador de indução, pois a excitação desse gerador é feita por correntes que circulam através

da rede elétrica externa. Assim o sistema deixa de funcionar se a rede externa de energia

elétrica não estiver presente, o que elimina possibilidades de acidentes quando técnicos

estiverem trabalhando na manutenção nas redes elétricas da concessionária. A energia gerada

é distribuída na propriedade e na rede externa até o transformador mais próximo. Um

exemplo dessa aplicação é descrito a seguir.

O equipamento é formado por um grupo gerador composto por um motor 1.8 MI

adaptado a biogás e refrigerado por trocador de calor, com rotação de 3.600 RPM, controlado

por regulador eletrônico microprocessado acoplado a um gerador assíncrono com potência de

30 kW, trifásico, dois pólos, tensão 220 V, 60 Hz, com capacidade para produzir 25 kVA de

potência elétrica. O conjunto já vem adaptado para funcionar a gás, sendo que o modelo

adaptado para usar biogás difere dos demais apenas pelo acréscimo de um filtro para reter o

ácido sulfúrico e o excesso de água presente no biogás.

A vantagem do gerador assíncrono está no fato de que para o mesmo produzir

energia, a rede deve estar energizada, e a energia é produzida na mesma freqüência, o que

permite ser disponibilizada na rede da concessionária local sem prejuízo técnico para o

sistema. O controle de entrada e saída de energia pode ser feito pelo medidor da

concessionária, sendo que quando o circuito secundário (da propriedade) recebe energia ele

registra o consumo; quando a rede secundária fornece energia o medidor marca a saída da

energia girando em sentido contrário, isso acontece somente em medidores do tipo

eletromecânico. Portanto, o produtor que dispuser dessa tecnologia pode produzir a energia

39

necessária para seu consumo e também fornecer energia à concessionária, durante a maior

parte do dia, quando seu equipamento estiver funcionando. A concessionária pode se

beneficiar, desde que fique acordado que o agricultor acione seu sistema nos horários de pico.

Em alguns países da comunidade européia e na Austrália, existe legislação especifica para a

produção de energia de fonte renovável. Nesse país, inclusive, as concessionárias de energia

elétrica devem obrigatoriamente utilizar no mínimo 2% de energia de fonte renovável. Isto

faz com o valor de mercado para este tipo de energia seja melhor remunerado (ZAGO, 2003)

apud (OLIVEIRA & HIGARASHI, 2006).

Deve-se salientar que o rendimento, quando existe transformação da energia

contida no biogás em energia elétrica, gira em torno de 25%. Estudo desenvolvido por Zago

(2003) apude Oliveira e Higarashi (2006), o qual avaliou o potencial de produção integrada de

energia pelo biogás na região do meio oeste catarinense, concluiu que o consumo médio de

energia nas propriedades é de 600 a 1.800 kWh/mês, tomando como base apenas a criação de

suínos (produção média de 50 m³ de biogás/dia). Teoricamente, a capacidade de gerar energia

por propriedade é de 2.700 KVA/mês, o que equivale aproximadamente a 2.160 kWh/mês.

Com essa produção, as propriedades podem se tornar auto-suficientes em energia elétrica,

adotando um sistema que seja capaz de gerar 25 KVA/h de potência elétrica.

O consumo de biogás observado no exemplo gira entre 16 e 25 m³/hora no

conjunto gerador/motor estacionário para a geração de energia elétrica, dependendo da

potência elétrica gerada. Uma propriedade produtora de suínos com capacidade de gerar de 80

a 100 m³/dia de biogás, pode transformar essa quantidade de biogás em energia elétrica,

produzindo entre 120 a 150 KVAh/dia. Considerando que uma propriedade consuma em

média 1.000 kWh/mês, teria uma capacidade ociosa em torno de 3.000 kVAh/mês, isso com o

conjunto trabalhando 6 horas/dia, em média. Para viabilizar o investimento, o agricultor tem

que encontrar formas de consumir este excesso de energia produzida, ou vender o excesso

para a concessionária de energia, o que tecnicamente é possível.

Segundo estimativas, o empreendimento passa a ser viável economicamente

quando a propriedade possui capacidade de produção de 200 m³/dia de biogás, o que gera

uma produção aproximada de 300 kVAh/dia (ZAGO, 2003) apud (OLIVEIRA &

HIGARASHI, 2006). Como a grande maioria dos suinocultores não se enquadra nestas

condições, para este tipo de empreendimento os equipamentos podem ser adquiridos em

forma de cooperativas de produtores, gerando, assim, uma situação de ganho generalizado.

Os suinocultores, agregando valores a sua produção, e consequentemente mais uma fonte de

40

renda; o governo, como alternativa em momentos de crise do setor energético; e o meio

ambiente pela redução da poluição.

A outra tecnologia é o conjunto gerador de eletricidade, que consiste em um

motor de combustão interna Ciclo Otto adaptado para o uso de biogás como combustível,

acoplado a um gerador de eletricidade, independente da rede de energia elétrica da

concessionária local, gerando energia dentro da propriedade com o sistema de distribuição

interno não conectado à rede elétrica externa. Segundo La Farge (1995) apud Oliveira e

Higarashi (2006), nas instalações de biodigestores existentes na França, que geram energia

elétrica, os geradores no modo autônomo predominam em 100% das instalações. É mostrado

em seguida um exemplo desse tipo de sistema.

Oliveira e Higarashi (2006) instalaram um conjunto gerador de eletricidade

trifásico (220/380 VAC), 3.600 RPM, 60 Hz, com capacidade nominal de geração de 50 KVA

(44 KVA contínuo), Controle de Rotação Eletrônico do tipo isócrono com controle por sensor

eletromagnético e proteção contra sub e sobrevelocidade, motor AP2000 – 4 cilindros/8

válvulas, adaptado para uso com biogás e refrigerado por trocador de calor com

aproveitamento da água de refrigeração do motor para geração de água quente. O consumo

observado de biogás para o conjunto em operação normal situou-se entre 20 a 25 m3/hora.

A propriedade possui uma pequena fábrica de rações que possui os seguintes

equipamentos: motores elétricos com potência instalada, triturador 15 CV e misturador de

rações 7,5 CV. A propriedade possui ainda uma bomba para lavagem das instalações,

potência 3,5 CV; bomba d’água potência 1,5 CV; bomba para ordenha 3 CV e bomba para

transporte de dejetos 5 CV, totalizando uma potência instalada de 35,5 CV, estimando-se um

consumo de aproximadamente 28 kWh, com todos os equipamentos operando. Na unidade de

maternidade, o aquecimento dos leitões é feito por de lâmpadas de 100 W, totalizando 5 kWh

em um conjunto de 30 lâmpadas. Na creche também o aquecimento das baias é feito por 25

lâmpadas elétricas de 100 W, totalizando 2,5 kWh.

O monitoramento da geração de energia elétrica para avaliação técnica do sistema

demonstrou que a eletricidade gerada alimenta a rede de distribuição em baixa tensão 220/380

VAC e que no ponto mais distante do sistema (150 m) a queda de tensão verificada não

ultrapassa 1,5%. O consumo de biogás pelo motor do gerador de eletricidade foi em média 22

m³/hora, sendo que o sistema trabalha entre 4 e 6 horas diárias. A viabilidade de produção de

energia elétrica com esterco de gado leiteiro foi avaliada com 72 animais em uma

propriedade localizada no município de Toledo, no oeste do Paraná (COLDEBELLA,2006), o

41

estudo mantinha o rebanho em confinamento. A produção de biogás por animal foi de 0,98

m3/dia, assim o volume total produzido foi de 70,56 m3/dia. O processamento desses dejetos

foi feito em biodigestor com 40x7x3 m de comprimento, largura e profundidade,

respectivamente, e com um custo de implantação de R$ 25.000,00. O conjunto motor/gerador

do sistema é um motor de marca Ford de 4,9 litros e 55 cv de potência a 1800 rpm e um

gerador Kohlback, modelo 180LB, 60 Hz e potência de 44 kW. O consumo de biogás desse

sistema foi de 0,646 m3/cv, levando a uma eficiência de 32,3% e uma equivalência de 2,1

kWh por m3 de biogás. O custo do kWh depende do horário de utilização da energia elétrica,

isso reflete efetivamente no custo de produção de energia elétrica via biogás. Pensando nisso,

a relação do custo em função de utilizar o sistema nos horários de ponta (4 horas) e de forma

contínua (10 horas) é mostrada na Tabela 11. O custo da energia elétrica nos horários de

ponta determina um valor maior dado ao biogás quando utilizado para produzir energia

elétrica nos horários de ponta, e a redução do tempo de amortização do investimento no

sistema(COLDEBELLA et al., 2006).

TABELA 11 - Custo de biogás e geração de eletricidade (COLDEBELLA et al., 2006).

Tempo de amortização (anos)

Custo do biogás (R$/m3)

Custo de eletricidade

(R$/MWh), 4 horas de operação

Custo de eletricidade

(R$/MWh), 10 horas de operação

5 0,24 564,16 225,66

10 0,14 459,23 183,69

15 0,11 430,54 172,22

20 0,10 417,84 167,14

A cana-de-açúcar é uma das culturas agrícolas mais importantes do mundo

tropical. O setor sucroalcooleiro desperta interesse de diversos países devido ao baixo custo

de produção de álcool e açúcar. A vinhaça é um resíduo do processamento da cana-de-açucar

e assim foi utilizada em um biodigestor para a produção de biogás. Esse processamento

apresenta uma série de vantagens comparado a outros processos de aproveitamento do

vinhoto, como a redução da sua carga orgânica, pois a maior parte da DBO (Demanda

Bioquímica de Oxigênio) é convertida em biogás. Pode-se citar também, a elevação do valor

de pH, que passa a ser próximo de 7, solucionando o problema de corrosão, mantendo os

mesmos teores de NPK (Nitrogênio, Fósforo e Potássio) da vinhaça in natura, conservando o

seu poder fertilizante e eliminando o odor desagradável, e a atração de moscas e outros

42

agentes causadores de doenças (PRADA, et al., 1998) apud (LAMONICA, 2006). O biogás

produzido com vinhaça foi utilizado para produzir energia elétrica, e com os parâmetros

obtidos a partir desse projeto piloto, foi estimada a produção de energia elétrica para a

produção nacional de álcool da safra 2004/05. O potencial de produção de energia elétrica

com a utilização do biogás produzido pela biodigestão da vinhaça com motor-gerador a

combustão interna é de 9.292 TJ/ano (2,6 TWh/ano), representando 0,75% do consumo

nacional de energia elétrica do ano de 2003 (LAMONICA, 2006).

A importância da remoção de CO2 do biogás é reduzir a concentração dessa

substância para aumentar o poder calorífico do biogás e assim melhorar seu aproveitamento

como fonte de energia. Buscando esse objetivo, uma coluna de absorção (Figura 7) foi

construída nos laboratórios de energia e hidráulica da Universidade Estadual do Oeste do

Paraná (UNIOESTE) por Souza et al.,(2006). Esse equipamento tem um cilindro vertical com

300 mm de diâmetro e 2500 mm de altura, confeccionado em aço galvanizado. Internamente,

o cilindro é recheado com tubos de PVC com diâmetro de 20 mm e comprimento de 1500

mm. A quantidade de tubos está relacionada ao preenchimento total do cilindro.

Os parâmetros que influenciaram no processo de absorção foram a vazão do

biogás e a pressão de serviço. Quanto menor a vazão do biogás e quanto maior a pressão de

serviço que entra na coluna, maior a taxa de absorção, ou seja, melhor a eficiência de

absorção do CO2. A excelência de funcionamento da coluna foi operando com pressão média

de aproximadamente 480 kPa e vazão média de 207 cm3/s, obtendo uma concentração de CO2

de 15,25%. A concentração original do CO2 no biogás era de 33%. Esse valor está dentro dos

parâmetros aceitos pela ANP para o nível de metano presente no gás natural, tornando o

biogás apto a ser utilizado nos mesmos usos finais, sendo o uso restrito apenas a gás natural

veicular. Para essa concentração de CO2, estimou-se um aumento de aproximadamente 57%

no poder calorífico por unidade de massa, com o conseqüente aumento no teor de metano

(67% para 85%) (SOUZA et al., 2006).

43

FIGURA 7 - Coluna de absorção de CO2 (SOUZA et al., 2006)

Um projeto experimental na Bahia usou o esterco de 100 caprinos, 50 kg por dia,

em um biodigestor de lona de PVC. A produção de biogás foi de 3 m3/dia. O Nordeste

brasileiro tem um efetivo aproximado de 17.140.000 caprinos e ovinos, a produção de dejetos

desse rebanho é de aproximadamente 3.120.000 ton/ano que pode produzir através do biogás

1.032 GWh (QUADROS, 2007).

2.6 Considerações finais do capítulo

A radiação solar, a temperatura e a disponibilidade hídrica são os principais

fatores que afetam a fotossíntese e dessa maneira a produção de biomassa nas regiões

intertropicais é elevada (NOGUEIRA, LORA, 2003). Grande parte do território brasileiro está

nessa região de alta produtividade de biomassa, os resíduos da agropecuária brasileira são

altos, podendo ser utilizados para produção de energia limpa por intermédio de digestão

anaeróbica. Países como a Alemanha que estão fora dessa região de alta produção da

biomassa, já utilizam a digestão anaeróbica em larga escala, portanto, existe um espaço a ser

preenchido tanto na pesquisa quanto na produção comercial de biogás.

3. INSTALAÇÃO E OPERAÇÃO DO BIODIGESTOR EM

PENTECOSTE, CE

3.1 Localização da área de estudo

A área escolhida para desenvolvimento deste estudo está inserida no Semi-árido

do Ceará. O biodigestor foi construído na chamada “Fazendinha”, área situada na Fazenda

Experimental Vale do Curu (FEVC), pertencente à Universidade Federal do Ceará-UFC

(Figura 9). A fazenda está situada a 10 km da sede do município de Pentecoste e a 120 km de

Fortaleza, entre as latitudes 3°40’ a 3°51’18” sul e longitudes 39°10’19” e 39°18’13” oeste.

FIGURA 8 - Mapa do Ceará com ênfase à localização da área de estudo

A escolha dessa área é justificada pelas seguintes condições:

disponibilidade de matéria-prima, pois a área é utilizada exclusivamente para criação de

caprinos, tendo um rebanho aproximado de 300 animais;

assistência técnica multidisciplinar, pois a área é utilizada por veterinários, agrônomos e

zootecnistas da Universidade Federal do Ceará para pesquisas científicas;

a área reproduz as condições de um pequeno produtor rural do semi-árido nordestino sem

acesso a rede elétrica.

45

3.2 Implantação e operação do biodigestor utilizando esterco de caprino

A principal ferramenta de avaliação energética do biogás de esterco de caprino,

foi a implementação de uma planta para produção e utilização do biogás, esse projeto foi

financiado pelo Banco do Nordeste (BNB) e é intitulado “Biodigestor para validação de

sistema produtivo auto-sustentável de ovinos e caprinos”. O projeto tem como objetivo geral

analisar a viabilidade técnica e financeira de um sistema produtivo semi-intensivo de

caprinos, localizado na região semi-árida nordestina, fazendo uso de fontes hídricas

disponíveis para suprimento animal e irrigação de pastagens, e utilizando biodigestores para

produção de biofertilizante e biogás, a serem usados para adubação orgânica e fornecimento

de energia para pressurização de um sistema de irrigação. O esquema do sistema de produção

proposto é apresentado na Figura 9.

FIGURA 9 - Sistema proposto para o semi-árido nordestino

Acompanhando o esquema da Figura 9 a partir do retângulo que indica os

animais, a dinâmica é a seguinte: os dejetos dos animais são colocados no biodigestor, do

biodigestor é retirado o biogás que vai ser usado como fonte de energia para irrigar a

46

pastagem e o biofertilizante é incorporado ao solo onde está plantado o capim que serve de

alimento aos caprinos. Assim se observa um ciclo que pode ser auto sustentável. O leite, a

carne e o couro dos animais são os produtos que vão ser comercializados ou consumidos pelo

proprietário rural.

Os objetivos específicos do projeto são:

• Desenvolver um sistema de criação semi-intensiva de caprinos, utilizando pastagens

irrigadas;

• Utilizar o esterco produzido pelos animais em um biodigestor para produção de adubo

orgânico, que será utilizado nas pastagens, e biogás, que servirá como fonte energética

para acionamento de conjunto motor-bomba para irrigação.

Conclui-se, pelo exposto acima, que o projeto propõe um modelo de

desenvolvimento sustentável, o qual é caracterizado pelo tripé de viabilidade econômica,

eqüidade social e preservação ambiental.

Vale também salientar a importância do biodigestor como unidade de saneamento.

No caso específico da Fazendinha da FEVC, antes da implantação do projeto, por falta de

opção, o esterco animal produzido era acumulado sobre o solo. Esta realidade traz prejuízos

ambientais, entre os quais pode ser citado a contaminação do lençol freático da área. Para

comprovar esse fato, a análise físico-química da água do poço evidenciou uma elevada

quantidade de nitratos, fato que segundo Von Sperling (1996) indica poluição antiga. A

poluição do poço pode estar relacionada a um aprisco existente, do qual o esterco dos animais

era retirado e acumulado sobre o solo nas proximidades do poço. Espera-se que a construção

do biodigestor, ao receber o esterco dos animais, reduza a poluição desta fonte hídrica.

Foi disponibilizada para implantação das pastagens irrigadas uma área de 1,6

hectares. O solo da área a ser usada para plantio é da textura do tipo franco arenosa com

algumas partes franco argilosas. Apresenta a limitação física de ser raso.

No início do projeto, a área disponível se encontrava parcialmente desmatada,

porém já com vegetação secundária. Devido a isso, a primeira medida foi arrancar todos os

tocos da área e realizar a retirada de pedras para efetuar a passagem do arado com trator.

Após a utilização do trator na área, foi feito um levantamento planialtimétrico, sendo

necessário tal procedimento para um dimensionamento mais preciso do sistema de irrigação a

ser implantado.

Para viabilização do sistema semi-intensivo de criação foi necessária a instalação

de cerca elétrica alimentada por painel fotovoltaico. A finalidade da cerca é o confinamento

47

dos animais em uma área pré-determinada. A cerca elétrica é composta basicamente de

eletrificador, painel solar, bateria, arame liso, isoladores e cabo para alta tensão. O

eletrificador usado tem raio de ação de aproximadamente 1,5 km e distância linear de

eletrificação de 40 km. Devido às pequenas dimensões do sistema, a bateria usada é de 12V e

7,2 Ah, sendo a bateria mantida carregada através de um painel solar de 5 Wp . Os isoladores

de cerca elétrica utilizados se apresentam em diversos modelos, tais como castanha de nylon,

porteira isolada, catraca isolada, isolador de morão e roldana. O arame utilizado é específico

para cerca elétrica: Eletrix Belgo Becart com 500 kg de resistência à tração.

Os caprinos adquiridos foram do tipo sem raça definida (SRD), com as

características de serem rústicos e apresentarem aptidão mista (produção de carne e leite). Os

animais foram criados em sistema semi-intensivo, confinados em oito piquetes cercados com

cerca elétrica, sistema conhecido como pastejo rotacionado. A gramínea utilizada neste

sistema foi o capim gramão (Cynodon dactylon). A capacidade de suporte deste sistema pode

chegar a 50 animais por hectare (POMPEU, 2007). Assim foram adquiridos 50 animais SRD

para o experimento.

Foi verificado que o poço profundo existente no local não tinha vazão diária

suficiente para fornecer a demanda de água necessária para o sistema de irrigação. Por conta

dessa carência, foi construída uma adutora de aproximadamente 500 metros de comprimento

para captar água do açude da propriedade usando o motor-bomba já existente . A água

bombeada desse açude era então armazenada na cisterna da Fazendinha, que também capta

água da chuva. O custo com combustível para o motor-bomba é alto e a capacidade de

armazenamento de água do açude depende de um índice pluviométrico anual bom; como no

semi-árido a chuva é escassa, garantir o fornecimento de água para a irrigação era vital para a

continuidade e avaliação do projeto. Devido a isso, outra adutora, que interliga o canal de

irrigação com a cisterna da Fazendinha foi construída. O esquema de ligação destas fontes

hídricas é mostrado na Figura 10. O poço profundo da propriedade tem aproximadamente 70

m, a água desse

48

FIGURA 10 - Esquema de ligação das fontes hídricas do projeto

poço é bombeada por um cata-vento de múltiplas pás e armazenada na caixa d’água. Dessa

caixa, a água vai ser bombeada pelo motor-bomba a biogás para a pastagem. Na cisterna é

armazenada água bombeada pelo motor-bomba diesel do açude e motor-bomba elétrico do

canal de irrigação. Como a tubulação de saída da cisterna está interligada com a tubulação de

saída da caixa d’água, o motor-bomba a biogás pode usar a água armazenada na cisterna para

irrigar a pastagem.

3.2.1 Dimensionamento do biodigestor

Devido à necessidade do fornecimento do biogás com pressão constante para o

conjunto motor-bomba, foi decidida a construção de um biodigestor do tipo indiano. O

cálculo do dimensionamento de um biodigestor é em função do modelo adotado. Os mais

simples possuem um único estágio, alimentação contínua e sem agitação. O tempo de

retenção depende da matéria-prima utilizada. Na prática o tamanho do biodigestor pode ser

dimensionado pela seguinte equação (PRAKASAN et. al, 1987):

49

RETDEJBIO xTVV = (1)

Onde,

=BIOV Volume do biodigestor (m3)

=DEJV Vazão de dejetos (m3/dia)

=RETT Tempo de retenção (dias)

Para o dimensionamento do biodigestor utilizado neste projeto, foram usadas as

equações para biodigestor do modelo indiano. A seguir serão apresentadas todas as etapas de

como dimensionar um biodigestor.

Calcula-se inicialmente o volume total do biodigestor. A equivalência entre m3 de

biodigestor e m3 de biogás produzido pode ser estimada aproximadamente usando como

referencia a Tabela 5, a qual mostra diversos tipos de esterco e sua produção de biogás. Outro

ponto que deve ser considerado é que, para cada tipo de esterco, há uma quantidade diferente

de água a ser adicionada. Como essa relação de volume é dependente de muitas variáveis,

empiricamente assume-se que: para produzir 1 m3 de biogás são necessários de 1,5 m3 a 2,4

m3 de biodigestor. Sendo 1,5 m3 para esterco bovino e 2,4 m3 no caso de esterco caprino.

Há necessidade da estimativa de biogás a ser gerado, que pode ser feita avaliando-

se as necessidades do usuário pelo emprego da tabela de consumo de biogás dos

equipamentos (Tabela 6). Para um melhor entendimento, será efetuado um exemplo para

atender a necessidade de um motor de combustão interna de 5 HP, funcionando duas horas

por dia.

5,445,02545,0 === xxPxhsxmotordodiárioConsumo m3 (2)

→P Potência em HP do motor

→hs Horas de funcionamento diário do motor

→45,0 Consumo de biogás em m3/HP/h de motor de combustão interna.

Fazendo a relação entre o volume necessário de biogás e o volume produzido por

m3 de dejetos de caprinos temos o volume do biodigestor, que é de 10,8 m3. Conhecendo-se o

volume do biodigestor ( )BIOV , pode-se determinar seu diâmetro ( )D e altura ( )H .

50

Atribuindo-se um valor arbitrário de 2,10 m para o diâmetro, a altura é determinada pela

seguinte relação:

310,214,38,104

14,31144

222 ====x

xD

xD

VH BIO

πm (3)

3=H m

A relação D/H deve estar entre 0,66 e 1, para uma boa eficiência de fermentação

do biodigestor, neste caso é 0,7, portanto adequado.

Para calcular o volume do gasômetro ( )gV , pode-se considerar que o motor

consome o biogás em apenas duas horas; e para garantir o armazenamento total do gás

produzido, considera-se o volume diário produzido de biogás como o volume do gasômetro.

Em caso de haver um parcelamento de consumo durante o dia, o volume do gasômetro pode

ser reduzido.

Volume do gasômetro = 4,5 m3 = Vg

O diâmetro do gasômetro ( gD ) é dado por:

15,0−= DDg m (4)

15,010,2 −=gD

95,1=gD m

Onde, 15,0 m→ é a folga para que o gasômetro movimente-se livremente (Figura

11)

51

FIGURA 11 - Detalhe da folga do gasômetro.

Para se obter a altura do gasômetro ( gH ) emprega-se a seguinte expressão:

2

4

g

gg D

VH

π= (5)

( )m5,1

95,115,35,44

2 ==xxH g

Determinada a altura útil do gasômetro, deve-se determinar a altura real do

mesmo. Esta é obtida adicionando-se à altura equivalente ao desnível decorrente da pressão,

mais 0,10 m, para evitar que a mistura atinja a saída do gás obstruindo-a.

10,0++=δpHH gr (6)

rH →altura real

δp→altura adicionada devido à pressão de trabalho do biodigestor (0,15 cm)

75,110,015,05,1 =++=rH m

Este incremento na altura representa um aumento do volume ( AV ). O cálculo do

aumento na capacidade do gasômetro é feito pela seguinte fórmula :

( ) ( ) 75,025,04

95,114,325,04

22

=== xxxD

V gA

πm3

Adicionando este incremento ao volume do gasômetro, teremos:

52

Volume real do gasômetro = 5,25 m3

Procurando uma alternativa viável para o pequeno produtor, e sabendo-se das

dificuldades técnicas de construção e transporte do gasômetro, optou-se pela utilização de

caixas de água feitas com fibra de vidro (Figura 12) devido à facilidade de obtenção de tais

reservatórios no mercado, disponíveis nos volumes de 1.000 a 15.000 litros. A idéia é

compatibilizar o volume do gasômetro calculado com o volume de caixas de água pré-

fabricada em fibra, facilmente obtido no comércio. O volume mais aproximado de caixa de

fibra existente no mercado para o volume calculado é a de 5.000 L, logo este será utilizada

como gasômetro para o exemplo aqui adotado.

FIGURA 12 - Caixa de água utilizada como gasômetro

Vale salientar que o uso de uma caixa de água de fibra de vidro como gasômetro

constitui uma contribuição inovadora do presente projeto, visto não haver registro na

literatura de tal emprego. Com isto, foram resolvidos os problemas decorrentes do emprego

de gasômetros feitos de chapas metálicas, recomendados normalmente pela literatura, tais

como corrosão e peso elevado.

Para a instalação do biodigestor houve o envolvimento de 2 (dois) trabalhadores

locais durante o período de cerca de 7 (sete) semanas (março a abril de 2004). O número

elevado de dias necessário para instalação do biodigestor foi devido em grande parte à

dificuldade de escavação do terreno, que apresentou pequena camada de solo, seguida por

pedras; ao final do poço foi encontrada uma camada de rocha maciça.

53

3.2.2 Construção do biodigestor

A Figura 13 apresenta o corte transversal do biodigestor com todos os

componentes. As unidades de medidas contidas no esquema são o metro e polegadas.

Inicialmente foi demarcado e nivelado o terreno. O nivelamento foi feito com um nível de

mangueira. A abertura da escavação deve ser feita com a margem necessária para desenvolver

livremente o serviço.

FIGURA 13 - Corte transversal do biodigestor instalado em Pentecostes-CE.

A maior dificuldade encontrada nesse serviço está relacionada com as características

dos solos predominantes no semi-árido cearense. Em uma vasta área depara-se com solos

rasos que apresentam um grande número de pedras e até mesmo rocha maciça a pouca

profundidade. Uma avaliação criteriosa da escolha do local vai facilitar a escavação e

economizar em mão-de-obra. Outra maneira de facilitar a escavação é utilizar o período das

chuvas para fazer os trabalhos. A base e o cilindro foram construídos em alvenaria. A base foi

feita de concreto e a alvenaria em parede dobrada executada com o tijolo furado. A argamassa

de assentamento deve ser no traço 5 de areia: 01 de cimento. A parede divisória deve ser

edificada até alcançar a altura conjugada com o curso da campânula que no projeto é de 1,10

m, conforme pode ser observado na Figura 14.

54

FIGURA 14 - Detalhe da construção da parede divisória

Nessa fase fez-se acoplamento dos tubos de entrada a saída da biomassa. A haste

guia é de ferro galvanizado de parede grossa de 1” e foi fixada na parede divisória. A Figura

15 mostra a haste guia já fixada.

FIGURA 15 - Haste guia fixada na parede divisória

A parte interna do cilindro deve ser impermeabilizada para evitar infiltrações. A

impermeabilização foi realizada juntamente com o revestimento interno da parede. Para

55

impermeabilizar, utilizou-se cola branca. Para 8 litros de água misturou-se 3 kg de cimento e

3 litros de cola; em seguida foi pincelada toda parte interna do tanque.

3.2.3 Operação do biodigestor

Os biodigestores com carga e descarga diária precisam da operação inicial

diferenciada. Após este procedimento é que o sistema pode funcionar com ciclos diários de

carga e descarga de biomassa e biofertilizante. No inicio da operação deve-se efetuar um teste

hidráulico.

Executa-se este teste para identificar a ocorrência de vazamento no tanque de

biodigestão, bem como o funcionamento de entrada e saída de material pela caixa de carga e

descarga, verificando o escoamento adequado. O teste consiste em colocar água no

biodigestor até aproximadamente o nível mínimo da caixa de descarga; dessa forma pode-se

ver se as caixas estão realmente no nível correto. A Figura 15 mostra a implementação do

teste. Aguardou-se algumas horas para verificar se havia algum vazamento. Terminado o teste

hidráulico, retirou-se a água até o nível de 1/3 da altura do biodigestor. Essa água tem a

finalidade de diluir mais o esterco nesta fase inicial e compensar o alto grau de evaporação

que ocorre durante a primeira carga.

A carga inicial é feita pela parte superior do biodigestor, portanto sem o

gasômetro. A carga foi distribuída igualmente nos dois lados para prevenir o desabamento da

parede divisória (Figura 16).

Por ocasião do início da operação do sistema, deve-se observar, cuidadosamente,

os seguintes pontos:

• A água não deve ter nenhum produto químico;

• Não colocar em hipótese alguma, esterco contaminado com desinfetantes, ou outros

produtos químicos;

• Proporção da mistura: para o esterco caprino o melhor desempenho do sistema foi

verificado com uma proporção 4 de esterco para 10 de água; o esterco não deve conter

areia e pedras para evitar entupir os tubos de entrada e saída. Deve-se cimentar o

aprisco, para evitar o recolhimento de areia junto com os detritos produzidos pelos

animais.

56

FIGURA 16 - Carga inicial de detritos

• Para o esterco caprino é necessário macerar ou moer as cíbalas (forma específica dos

excrementos dos caprinos) antes de misturar com água. Diariamente o aprisco era

varrido, após essa operação, as cíbalas eram maceradas utilizando um malho de

madeira.

Na elaboração do biodigestor apresentado nessa dissertação foi empregada uma

caixa de água de 5.000 L como gasômetro já mostrada na Figura 13. Por ocasião da

montagem do gasômetro no biodigestor, alguns ajustes se fizeram necessários.

Um rompedor de crosta foi instalado usando uma cantoneira de ferro com

aproximadamente 2 m, e duas hastes de 50 cm soldadas na cantoneira. As extremidades da

cantoneira devem ser fixadas nas bordas do gasômetro. Uma torneira de PVC foi instalada no

gasômetro, e sua função é controlar a saída do biogás.

No centro da base da caixa de fibra foi feito um rasgo 1 ¼ ” de polegada. Além

disso fixou-se um flange de PVC para tubo de 1 ¼”, neste flange foi acoplado um tubo de

PVC 1 ¼”. Este conjunto é a luva que vai deslizar sobre o cano guia. Fez-se a vedação no

acoplamento do flange usando resina de laminação e manta de fibra de vidro, por dentro e por

fora da caixa para que não haja vazamentos de biogás por esse local. O comprimento do tubo

de PVC, que vai deslizar sobre o cano guia, é aproximadamente da mesma altura da caixa

usada como gasômetro, como mostra a Figura 17.

57

FIGURA 17 - Instalação do acoplamento do cano guia

Originalmente, o biodigestor indiano tem seu gasômetro confeccionado em chapas de

aço soldadas, além do custo de material e mão-de-obra especializada para fazer este

gasômetro, o seu peso dificulta o transporte e a montagem desta peça do biodigestor.

Utilizando a caixa de fibra, pode-se ter um componente facilmente encontrado no comércio de

material de construção e sua montagem se resume em uma operação simples. Como mostram

as Figuras 18 e 19.

FIGURA 18 - Procedimento de montagem do gasômetro

58

O cano guia deve receber uma boa camada de graxa para que o gasômetro possa

ser operado facilmente. No momento da colocação do gasômetro é recomendável verificar se

a torneira de saída do gás está aberta, e deixar desta maneira por 5 a 7 dias. Após este período

fecha-se o registro, deixando a campânula subir à metade. Promove-se vigorosa agitação, no

sentido horário e anti-horário, do gasômetro e solta-se o gás pela torneira de saída do gás.

Esta é uma operação de limpeza do gás, para retirar o oxigênio e impurezas.

FIGURA 19 - Gasômetro instalado

Com um manômetro instalado pode-se acompanhar a evolução da pressão do

biogás na campânula, pois o aparelho é destinado a medir a pressão do biogás retido na

campânula. Este equipamento pode ser feito de maneira simples, com um pedaço de tábua e

uma mangueira plástica transparente (3/8” a 3/4”), fixada na madeira em forma de “U”. Uma

das extremidades da mangueira é fixada no encanamento do biogás através de uma conexão

“T”, a outra permanecerá aberta, como mostra a Figura 20. A pressão deslocará os níveis de

água, um para cima e o outro para baixo. O valor do deslocamento entre os níveis representa a

pressão do biogás. Neste modelo de biodigestor o valor máximo dessa diferença é em torno de

20 cm.

59

FIGURA 20 - Desenho esquemático do manômetro instalado sobre tábua

O vapor de água que sai da biomassa junto com o biogás, se condensará ao longo do

encanamento podendo obstruir a passagem do combustível; para evitar este problema foi

usado um purgador. O purgador consiste de um “T” e um tubo de aproximadamente um metro

acoplado na parte central do “T”. As outras extremidades do “T” devem estar conectadas na

parte mais baixa do encanamento para que receba por gravidade a água condensada, sendo

que a outra extremidade do tubo deve estar submersa em um recipiente contendo água com

nível acima de 20 cm, (Figura 21).

A pressão ideal de trabalho dos equipamentos é de 15 a 17 cm de coluna de água.

Foram colocados pesos em cima da campânula e distribuídos de forma balanceada, pois o

PVC usado na fabricação do gasômetro é muito leve. Além do manômetro e do purgador,

diariamente um agitador era usado; o agitador é um bastão que foi inserido entre a campânula

e a parede do tanque de digestão, fazendo movimentos verticais e horizontais.

Há a necessidade de instalação da tubulação de biogás até o local de consumo. O

material empregado nesse projeto foi o tubo rígido de PVC soldável, em decorrência da

60

facilidade das emendas e garantia de vedação. O custo e praticidade da montagem deste tipo

de material também influíram. O encanamento foi fixado em postes, para evitar ondulações da

tubulação e deixar a linha com uma pequena inclinação, para escoar a água por gravidade no

purgador. O diâmetro de 3/4” foi utilizado, pois essa é a bitola ideal para biodigestores

pequenos ou médios.

FIGURA 21 - Purgador.

Após a operação inicial do biodigestor, foi iniciada a coleta diária de esterco para

alimentação do tanque. A metodologia para avaliação da produção de esterco dos caprinos

consistiu dos seguintes passos:

- O piso do aprisco foi varrido diariamente;

- O esterco acumulado foi colocado em baldes com um volume de 10 litros em

cada balde;

- A massa do esterco de cada balde foi de cerca de 3,5 kg, já retirado o valor do

balde seco;

- Os 50 animais produzem aproximadamente 8 baldes de esterco diários; sendo

assim, a massa total produzido é de 28 kg/dia; esta quantidade de esterco é misturada no

tanque de carga do biodigestor com 20 baldes de água;

- Desta forma, a produção por animal é de cerca de 560 g por dia.

Como os caprinos ficam no aprisco apenas no período noturno, vale salientar que

esta produção (560 g/dia/animal) corresponde ao material liberado pelos animais durante este

período.

61

Para operação do sistema de irrigação foram adquiridos um motor estacionário de

combustão interna de 5,5 HP, ciclo Otto, e uma bomba centrífuga de 6 CV, de dois estágios.

A bomba trabalha com a sucção afogada com uma pressão de recalque de aproximadamente

23 mca, fornecendo uma vazão de cerca de 9 m3/h. Esse sistema deverá funcionar com esses

parâmetros por aproximadamente 5 horas/dia, visando fornecer a lâmina de água necessária

para manutenção da pastagem irrigada. As principais características técnicas da bomba

utilizada estão resumidas na Tabela 12.

TABELA 12 - Características técnicas da bomba utilizada para irrigação da pastagem (CATÁLOGO DE BOMBAS THEBE).

Característica Valor

Quantidade de estágios 2

Potência nominal 6 CV

Diâmetro do rotor 121 mm

Largura do rotor 5,3 mm

Sucção 1x1/2” BSP

Recalque 1x1/2” BSP

Rotação nominal 3.500 rpm

A curva da bomba fornecida pelo fabricante é apresentada na Figura 22. O

conjunto motor-bomba adquirido é utilizado no projeto para acionar 18 aspersores do tipo

agropolo NY 25 ¾” . Esses aspersores foram submetidos a uma pressão de 20 mca (pressão

nominal) sendo verificada a vazão de 0,360 m3/hora/aspersor. O consumo de gasolina do

motor para estes parâmetros foi de cerca de 0,720 L/h.

62

FIGURA 22 - Curva da altura manométrica x vazão da bomba utilizada (CATÁLOGO DE BOMBAS THEBE).

Atualmente, alguns fabricantes de motores estacionários de combustão interna

produzem motores condicionados para uso de biogás, mas no período do experimento não

haviam no mercado motores preparados para esse fim. Além disso, os motores que são

preparados para utilização do biogás são modelos com nível de potência diferente da utilizada

no projeto.

Por sua vez, o motor de combustão interna, ciclo Otto, foi adaptado para usar o

biogás produzido no biodigestor como combustível. Em um motor Otto, o carburador é o

componente mecânico que faz a mistura da gasolina com o oxigênio, sendo essa mistura então

levada ao cilindro do motor, local onde acontece a explosão da mistura. Para adaptar a

operação do carburador ao biogás foi desenvolvida uma peça para ser inserida entre o cilindro

do motor e o carburador (Figura 23). Essa peça adicional tem um orifício no qual é injetado o

biogás, sendo a entrada de biogás no motor regulada por uma torneira externa. O carburador

foi mantido para prover a regulagem de entrada de ar e para a partida inicial com gasolina.

63

FIGURA 23 - Peça utilizada para entrada de biogás no motor estacionário

Nos primeiros dias de operação com uso do biogás, o conjunto motor-bomba

funcionou de forma descontínua, numa média de apenas 5 a 10 minutos; os motivos desta

descontinuidade estão relacionados aos seguintes fatores, que foram detectados e sanados:

• Formação de espessa camada de esterco na superfície do tanque do

biodigestor, dificultando a saída do biogás para o gasômetro (Figura 24); como

solução foi introduzido um sistema de barras no interior do gasômetro, visando

revolver a camada superficial;

• Digestão incompleta de grande parte do esterco no interior do biodigestor; a

causa está na característica das fezes dos caprinos que apresentam uma espécie

de capa, dificultando a ação das bactérias; como solução, o operador foi

instruído a fazer a maceração das fezes quando da alimentação do biodigestor;

64

FIGURA 24 - Camada de esterco na superfície do tanque do biodigestor

• Entrada do biogás frio no cabeçote do motor; como solução, foi desenvolvido

um sistema de pré-aquecimento do biogás. O sistema de pré-aquecimento

desenvolvido é formado por um tubo de cobre enrolado em espiral na descarga

do motor, sendo essa espiral responsável pela condução do biogás até a

entrada da peça inserida entre o cilindro e o carburador do motor (Figura 25).

A necessidade do pré-aquecimento se deve ao baixo poder de detonação do

biogás; este é o motivo pelo qual foi mantida a partida do motor usando a

gasolina como combustível.

• Regulagem incorreta da passagem de ar do carburador quando do uso do

biogás; com gasolina essa passagem trabalha totalmente aberta; com o biogás

a passagem deve ter uma calibração adequada, parcialmente aberta;

• Vazamento de alta tensão do conector da vela, devido ao fato da serpentina

inserida encostar no cabeçote; como solução, foi feito um deslocamento da

serpentina;

65

FIGURA 25 - Sistema de pré-aquecimento do biogás

• Regulação incorreta da entrada do biogás; como solução, a regulação foi feita

através de torneira;

• Vibração excessiva do motor; como solução, foi feito o nivelamento e

amortecimento do motor;

• Alteração do ponto de operação da torneira de entrada do biogás próxima do

motor, devido à vibração do conjunto; como solução, a torneira foi colocada

numa posição mais afastada do conjunto.

3.3 Instrumentação para monitoramento de parâmetros

Alguns parâmetros utilizados nesta dissertação, como a temperatura da mistura de

biomassa com água dentro do digestor, são importantes para uma avaliação correta dos

resultados encontrados no trabalho. Essa avaliação científica fica melhor respaldada com o

aumento qualitativo e quantitativo da coleta de dados. Utilizando sistemas eletrônicos

automáticos de coleta de dados, a aquisição dos dados tem um salto de qualidade e

quantidade.

3.3.1 Sensor para o monitoramento da produção de biogás

Para avaliar a produção de biogás no biodigestor foi instalada uma sonda

ultrasônica no telhado de proteção do biodigestor (Figura 26). Com dados sendo coletados a

66

cada minuto, o sensor mede a distância até a tampa superior do gasômetro; com esse dado é

possível calcular a evolução do volume de biogás acumulado no gasômetro. A medida feita

pela sonda é armazenada em um sistema de aquisição de dados (ref. CR10X).

FIGURA 26 - Sonda ultra-sônica e sistema de aquisição de dados

3.3.2 Sensor para monitoramento da temperatura da mistura do digestor

Como a produção do biogás em biodigestores está relacionada ao fator

temperatura, foi utilizado um sensor de temperatura (ref. 107) instalado no interior do digestor

cujos dados são armazenados em um sistema de aquisição de dados.

3.3.3 Sistema de monitoramento e aquisição de dados

Para fazer a avaliação desses dados é necessário o processamento dos mesmos em

computadores; uma interface entre os computadores e o sistema de aquisição de dados

também se faz necessária, sendo utilizado então um sistema de coleta de dados (ref.

67

CR10KD), um módulo de armazenamento de dados (ref. SM16M) e um módulo que faz a

interface (ref. SC532A) para o computador.

3.3.4 Medidor de vazão para gás e cromatógrafo gasoso

Para medir a vazão do biogás foi usado um medidor de vazão de gás, inserido

entre o manômetro e o gasômetro (Figura 27). O medidor de gás G0.6 é um medidor

volumétrico de diafragma, e pode ser utilizado para medição de consumo de gás natural ou

GLP. Para fazer as analises dos componentes do biogás, foi utilizado o Cromatógrafo Gasoso

(μGC) modelo CP4900, pertence ao Laboratório de Combustíveis e Lubrificantes do

Departamento de Engenharia Química da UFC.

FIGURA 27 - Medidor de vazão de gás

68

3.4 Demanda de energia elétrica para irrigação de um hectare de pastagem

Segundo Monteiro et al. (2005) 70% dos irrigantes no Brasil utilizam força motriz

para acionar bombas hidráulicas. Na maioria dos sistemas de irrigação por aspersão que

utilizam energia elétrica, 70% do custo de produção é devido à energia elétrica consumida

(MELO, 1993). Estudos realizados em áreas de estudo no Piauí, a demanda de energia de 1

(um) hectare de feijão para a semeadura nos meses de janeiro, fevereiro, março e dezembro é

de 550 kWh ha-1. Em junho e setembro é de 700 kWh ha-1 para uma área especifica. Para

outra área em setembro a demanda foi de 1000 kWh ha-1 (CAMPELO et al., 2007). A

sazonalidade e o tipo de solo são fatores que contribuem efetivamente para a demanda de

energia na irrigação, além da cultura e do modelo de irrigação adotado.

No pólo agrícola da chapada do Apodi em Limoeiro – CE, a cobrança da água

utilizada é baseada no consumo de energia elétrica. Nos pólos agrícolas de irrigação no

Nordeste, há casos em que os agricultores não conseguem pagar a conta de energia

consumida, inviabilizando a produção. Na pastagem irrigada, muitas vezes o consumo de

energia inviabiliza projetos de até 3 hectares (SILVA, 2005). Assim, determinar o consumo

de água para irrigação e a energia necessária para aplicar essa água em 1 (um) hectare é

fundamental para esta dissertação. Para um melhor entendimento desse cálculo, torna-se

necessário definir alguns conceitos (BERNARDO, 1987):

• Capacidade de campo – É a máxima quantidade de água que o solo

consegue reter após a drenagem.

• Ponto de murcha permanente – É o limite mínimo de água armazenada

no solo que será utilizado pelos vegetais. Abaixo desse limite a planta não

mais conseguirá retirar água do solo.

• Fator de correção – É fator de consumo de água no solo que não chega a

causar estresse hídrico na planta.

• Profundidade efetiva das raízes – É a profundidade onde se concentram

80% do sistema radicular da planta. É onde ocorre a maior absorção de

água.

• Lâmina de irrigação – É o volume de água aplicado dividido pela área

irrigada.

• Lâmina líquida – É a lâmina de irrigação subtraída das perdas existentes.

69

A Lâmina líquida ( )λL é o primeiro fator a se determinar nesse caso:

( ) LfL ppcc **θθ −=λ (7)

( ) 5,19200*65,0*1,025,0 =−=λL mm

Onde,

ccθ →Capacidade de campo (cm3 cm-3),

ppθ →Ponto de murcha permanente (cm3 cm-3),

=f 65,0 →Fator de reposição,

=L 200 mm→Profundidade efetiva das raízes da leguminosa utilizada no pasto,

→lL Lâmina líquida.

Com a Lâmina líquida e a Eficiência de irrigação ( )EI , que varia com o tipo de

irrigação adotado, calcula-se a Lâmina bruta ( )bL .

2665,05,19===

EILLbλ mm (8)

No presente estudo a área total irrigada é de 1 (um) hectare, mas divide-se em

parcelas para abater o investimento em equipamentos por meio da redução da vazão

bombeada, aumentando o tempo de bombeamento. Neste caso dividiu-se em 4 parcelas.

Como 1 mm=10 m3/há, daí pode-se determinar o volume de água armazenado no solo

( )asV .Como sendo:

( ) 654

10*== b

asLV m3 (9)

Através das características da cultura deve-se escolher a técnica de irrigação. Em

pastagens irrigadas o uso de aspersores é o mais indicado. Verificando as características

operacionais do aspersor no catálogo do fabricante, pode-se determinar o número de

aspersores e a montagem da grade de aspersores mais apropriada. As principais características

do aspersor a serem observadas são o espaçamento e a intensidade de aplicação de água em

mm/h. Com o espaçamento entre os aspersores estima-se o número de aspersores para a área a

ser irrigada e sabendo a intensidade de água em mm/h do aspersor verifica-se a condição

técnica de fornecimento do volume de água armazenado no solo ( )asV . Baseado nessas

70

características operacionais o modelo do aspersor escolhido foi o NY 25, sendo usados 36

aspersores a uma vazão 0,360 m3/h. Assim a vazão por parcela ( )pQ é dada por:

96,12360,0*36 ==pQ m3/h (10)

Agora pode-se calcular o tempo de irrigação diário ( )it :

596,12

65≅==

p

asi Q

Vt h (11)

O volume total aplicado por parcela ( )tapV agora pode ser calculado:

8,645*96,12* === iptap tQV m3 (12)

Considerando também a eficiência de irrigação de 75% obtemos o volume líquido

aplicado por parcela ( )lapV :

6,4875,0*8,6475,0* === taplap VV m3 (13)

A altura manométrica do sistema ( )mH representa o aumento de pressão que a

bomba deve transmitir ao líquido para vencer o desnível da bomba aos aspersores, a perda de

carga e ainda fornecer pressão aos aspersores, nesse caso o valor é de 40 m.c.a.

Além do tempo de irrigação, é necessário determinar a potência do motor que

aciona a bomba responsável pela irrigação para encontrar a demanda de energia do sistema.

Assim a potência hidráulica ( )hP é dada por:

464,408.13600

96,12*781.9*403600

**=== peam

h

QHP

γ W (14)

Onde,

mH → Altura manométrica do sistema (m.c.a),

eaγ → Peso específico da água (N/ m3) .

A potência da bomba hidráulica ( )bhP é obtida divindo-se a potência hidráulica

pela eficiência da bomba, neste caso 50% (CATÁLOGO BOMBAS THEB).

Para pequenas potências pode-se estimar o motor elétrico com 25% a mais da

potência da bomba hidráulica (BERNARDO, 1987):

23,521.325,1*98,816.225,1* === bhm PP W

71

Comercialmente, temos o motor com potência de 3.700 W ( )mcP , logo nesse

sistema a demanda de energia mensal ( )mE considerando o uso de um motor elétrico

comercial é:

35,64586,0*100030**

== imcm

tPE kWh/mês

Rendimento do motor= 0,86 (CATÁLOGOS DE MOTORES WEG)

A lâmina de água requerida para irrigação da pastagem determina a vazão da

bomba e o tempo de irrigação, parâmetros associados diretamente a demanda de energia do

sistema. Avaliando os dados apresentados acima, essa lâmina e o tempo de irrigação sofrerão

variações por vários fatores, influenciando indiretamente na demanda de energia do sistema,

tais como:

Épocas de cultivo, variações pluviométricas, tipo de cultura, técnica de irrigação;

locais de cultivo e características do solo.

3.5 Funcionamento do sistema de irrigação

O Motor estacionário ciclo Oto de quatro tempos aciona a bomba que faz a

pressurização do sistema de irrigação. Inicialmente este motor funcionou com a utilização de

gasolina acionando a bomba que, por sua vez, pressuriza o sistema de irrigação. O

funcionamento do sistema de irrigação é mostrado na Figura 28.

A tubulação do sistema de irrigação na Figura 28 é representada pelas linhas

azuis. O conjunto motor-bomba que faz a pressurização do sistema de irrigação é indicado no

desenho da Figura 28. Inicialmente a tubulação principal tem 29,63 metros somados a 190,78

metros dando um total de 220,41 metros de tubo de PVC soldável com 100 mm de diâmetro.

Dessa tubulação principal derivam tubos de 25 mm de diâmetro e a cada linha dessas tem-se 8

pontos de saída de água, onde são instalados aspersores ou bujões conforme a operação (os

pontos nas linhas azuis são essas saídas). Os círculos verdes representam o funcionamento

dos aspersores a cada turno de rega, a área do circulo é a abrangência do aspersor, são quatro

turnos de rega, a cada turno são realocados os aspersores para as linhas vizinhas. O

funcionamento inicial com gasolina era necessário, pois não existiam parâmetros confiáveis

para garantir a autonomia do sistema funcionando com biogás. Além disso, foi necessário

uma avaliação criteriosa do funcionamento de todo o sistema e implantação da pastagem

usando como combustível a gasolina, para em seguida utilizar o biogás. Dessa maneira pode-

72

se comparar os dados de funcionamento do sistema com biogás e gasolina e encontrar a

equivalência entre os mesmos.

FIGURA 28 - Funcionamento do sistema de irrigação.

3.6 Metodologia para avaliação da equivalência energética do biogás

Toda avaliação da energia consumida pelo sistema foi feita com base nos

parâmetros de funcionamento do motor estacionário, do sistema hidráulico e da produção de

biogás, utilizando os seguintes parâmetros: gasolina consumida, pressão do sistema de

irrigação, tempo de irrigação, volume utilizado do biogás e vazão do biogás.

Com esses dados e fazendo a comparação do funcionamento do motor com

gasolina e biogás, pode-se obter os resultados para fazer a avaliação do biogás e de toda a

planta. Além disso, análises dos componentes do biogás e biofertilizantes foram realizadas.


A escolha da área possibilitou vivenciar o contexto de dificuldades por que passa

o pequeno produtor rural do semi-árido sem acesso a energia elétrica e abastecimento de água

73

mínimo. Foi necessário o aporte de recursos hídricos para tornar possível a implementação da

planta de estudo.

O modelo de cálculo seguido nesta dissertação para projetar o biodigestor foi

baseado em projeto de biodigestor de esterco bovino. Ao longo da operação do sistema

observou-se a peculiaridade do esterco caprino, logo esta dissertação esclarece dúvidas na

hora de projetar o biodigestor para os dejetos dos caprinos. Por exemplo: tempo de retenção

hidráulica para esterco caprino, relação entre volume de água e dejetos dos animais e

produção diária dos dejetos dos animais.

A escavação do poço do biodigestor apresentou dificuldades devido à

característica do solo cristalino do Semi-árido. Atenção na escolha do local de escavação e

aproveitar o período de chuvas podem amenizar esse fato.

Para usar o biogás dos dejetos de caprinos em motores de combustão interna,

deve-se pré-aquecer o biogás para se obter a ignição. Se esse procedimento não for utilizado,

o motor não vai funcionar a contento. É necessário quebrar ou amassar as cíbalas excretadas

pelos caprinos para obter a produção de biogás relatada na presente dissertação. Quebrar e

amassar os dejetos também vai evitar procedimentos precoces de manutenção corretiva para

retirar uma camada formada por cíbalas não processadas do interior do gasômetro.

Os equipamentos encontrados comercialmente no período de 2004 a 2005 não

contemplavam as necessidades técnicas para pequenos produtores que, por ventura, queiram

usar a tecnologia. Foi necessário o desenvolvimento de protótipos de peças para adequar

parcialmente os aparelhos usados no projeto. Atualmente tem no mercado um motor de

combustão interna adaptado ao uso do biogás, no entanto é restrito a potência de 11 CV.

4. ANÁLISES E RESULTADOS DO USO ENERGÉTICO DO BIOGÁS

4.1 Introdução

O uso energético do biogás produzido diariamente pelo sistema é o produto

principal a ser avaliado por esta dissertação, tanto qualitativa quanto quantitativamente. A

análise quantitativa é representada pelo valor do volume diário de biogás produzido pelo

esterco disponível, diariamente coletado no aprisco e a avaliação dos fatores que afetam a

produção desse volume de biogás. A análise qualitativa passa pela verificação da equivalência

energética do biogás, cujo o fator que tem maior relevância é sua composição química.

4.2 Avaliação da evolução de produção diária do biogás de esterco caprino

O volume de biogás foi medido a cada 30 segundos, a média desses valores é feita

e armazenada em intervalos de 15 minutos pelo sistema de monitoramento de aquisição de

dados. Nas Figuras 29 e 30, observa-se a evolução da produção de biogás e temperatura

durante 2 dias.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69 73 77 81 85 89 93 97

TEMPO (intervalos de 15 minutos)

TEM

PER

ATU

RA

(C)

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

VOLU

ME

(M3)

TemperaturaProduçãobiogás

FIGURA 29 - Curva de temperatura e volume de biogás no gasômetro (15/10/05)

75

.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69 73 77 81 85 89 93

TEMPO (intervalos de 15 minutos)

TEM

PER

ATU

RA

(C)

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

VOLU

ME

(M3)

TemperaturaProduçãobiogás

FIGURA 30 - Curva de temperatura e volume de biogás no gasômetro (16/10/05)

Observando o gráfico da Figura 29, há um momento que o volume de biogás

diminui para aproximadamente 0,2 m3; isso deve a uma operação de retirada do biogás. Para o

dia 15/10/2005 o volume máximo de biogás no gasômetro foi de 1,67 m3 às 8h30 e o mínimo

de 0,15 m3 às 9h15; para o dia 16/10/2005 o volume máximo de biogás no gasômetro foi de

1,61 m3 às 8h15 e o mínimo de 0,01 m3 às 9h15. Quando a temperatura da mistura (figura 29)

está em torno de 30ºC ou acima desse valor, há uma maior produção de biogás, verificada

pela à mudança na inclinação da curva que representa o volume do biogás. Quando a

temperatura cai abaixo dos 30ºC há uma desaceleração na produção de biogás, observada pela

mudança na inclinação da curva de produção do biogás. Essas observações comprovam a

influência da temperatura na produção do biogás. Segundo Sganzerla (1983) a temperatura é

o fator que tem maior relevância na produção de biogás e o intervalo de temperatura ideal está

entre 28°C e 35°C. A temperatura ambiente no semi-árido no período diurno geralmente está

entre 30ºC e 35°C; partindo desse princípio, o gasômetro pode ser provido de um sistema de

retenção do calor durante o dia. À noite, através de um manejo adequado e simples, pode-se

isolar parcialmente o sistema para manter a temperatura e assim obter uma maior produção de

biogás. Esse tipo de manejo para pequenos e médios biodigestores é viável, pois o

investimento é mínimo e o acréscimo de mão-de-obra para o manejo é pequena. Outro fator

que afeta a produção de biogás é o pH da mistura de água com a matéria-prima usada, o pH

medido nesse sistema foi de 7,01. O pH ácido diminui a produção, pois as bactérias

76

responsáveis pelo processamento da matéria-prima não sobrevivem em ambientes com essas

características.

4.3 Composição química do biogás e esterco de caprino

Dependendo do tipo de biomassa, a composição do biogás produzido é

basicamente 55% a 70% de metano (CH4), 27 a 45% de dióxido de carbono (CO2). Usando-se

o cromatógrafo gasoso para fazer a análise dos componentes foi observado que o biogás de

detritos de caprinos, apresenta a seguinte composição: 61,7% de metano e 35,1% de dióxido

de carbono.

4.4 Equivalência energética do biogás produzido

Determinou-se o consumo específico (m3 de água / volume de combustível) para

os dois casos (funcionamento do motor com gasolina e com biogás). A operação do conjunto

motor-bomba em condições nominais com uso de gasolina foi a primeira condição avaliada.

Diariamente, 36 aspersores modelo NY 25 do sistema de irrigação eram acionados, sendo

necessárias 5 horas de funcionamento diário desses aspersores para atender às necessidades

hídricas da gramínea (capim) utilizada na pastagem. No manejo da irrigação foram

consideradas a evapotranspiração e a capacidade de armazenamento de água do solo do local

para dimensionar o tempo que esses aspersores são ligados e o modelo adequado do

equipamento. Para cada modelo de aspersor disponível no mercado, existe uma pressão de

trabalho específica e, dependendo da pressão utilizada, uma vazão correspondente. A pressão

aproximada de trabalho desses aspersores no sistema foi de 200 kPa, correspondendo,

segundo o fabricante e segundo as medidas feitas em campo, à vazão de 0,360 m3/h. Assim, a

vazão total do sistema (36 aspersores) foi obtida por:

AAT NQQ *= (15)

96,1236*360,0 ==TQ m3/h

Onde:

→TQ Vazão total do sistema de irrigação(m3/h).

→AQ Vazão do aspersor (m3/h).

77

→AN Número de aspersores.

O volume de água bombeado diariamente usando como combustível a gasolina foi

obtido por:

iTag tQV *= (16)

8,645*96,12 ==agV m3

→it Tempo necessário para irrigação diária (h).

Em cinco horas de funcionamento do motor-bomba com gasolina, o consumo

( )TGV foi de 3,6 litros. Dos resultados acima, pode-se calcular o consumo específico de

volume de água por litro de gasolina ( )EGV o qual foi obtido, através da fórmula:

TGagEG VVV /= (17)

186,3/8,64 ==EGV m3 de H2O/ L de combustível

Após a obtenção dos parâmetros de funcionamento do sistema, usando como

combustível a gasolina, o passo seguinte foi obter resultados usando o biogás como

combustível, para se fazer a comparação entre os mesmos.

A pressão do biogás na mangueira de saída do gasômetro permaneceu instável

durante o período de retenção inicial. Alguns vazamentos também contribuíram para a

instabilidade do sistema. Sanados esses problemas, a pressão máxima medida pelo

manômetro de mangueira era de 0,14 m.c.a. Quando o biogás era utilizado diariamente pelo

motor, esse manômetro indicava 0,07 m.c.a. Após algumas horas de funcionamento estável, o

funcionamento do motor se mostrava instável, nesse momento a indicação do manômetro era

em torno de 0,03 m.c.a.

Após estabilizar a produção de biogás e fazer as adaptações no motor para o

funcionamento desse com biogás, mediu-se o consumo do biogás para a pressão de 200 kPa

no aspersor e vazão total no sistema de 0,087 m3/min (5,22 m3/h). Os dados da Tabela 13

foram medidos pelo medidor de vazão de gás e de um cronômetro; o medidor de vazão estava

instalado conforme a Figura 28. A velocidade de rotação das Tabelas 13 e 14 foi obtida com a

utilização de um tacômetro estroboscópio, que mede a rotação do eixo que faz o acoplamento

78

do motor com a bomba hidráulica. A pressão das Tabelas 13 e 14 é medida por manômetro

instalada na tubulação de saída da bomba hidráulica.

TABELA 13 - Coleta de dados do consumo de biogás.

Biogás (m3) Pressão

(kPa)

Rotação

(rpm) Consumo

inicial

Consumo

Final

Consumo de

biogás (m3)

Tempo (min) Consumo de

biogás

(m3/min)

200 1550 36,512 36,584 0,072 10 0,0072

200 1860 34,714 34,787 0,073 10 0,0073

Usando-se um hidrômetro na saída da bomba hidráulica (recalque) e um

cronômetro, foram medidos os valores de vazão instantânea e o tempo para construir a Tabela

14.

TABELA 14 - Coleta de dados da vazão de água.

Hidrômetro (m3) Pressão

(kPa)

Rotação

(rpm) Leitura

inicial

Leitura

Final

Diferença

na leitura

Tempo (min) Vazão

(m3/min)

200 1550 244,60 244,81 0,21 3 0,070

200 1860 241,91 244,91 0,26 3 0,087

Diariamente foi observado que o motor funcionava com biogás por

aproximadamente 226 minutos com a vazão de 0,087 m3/min determinada na Tabela 14. O

volume total de água aplicado pelo sistema de irrigação usando biogás ( )BGV é:

BGBGMBG tQV *= (18)

66,19226*087,0 ==BGV m3

→BGt Tempo diário de funcionamento do motor com biogás (minutos).

79

A vazão do biogás em m3/min é de aproximadamente 0,0073 (Tabela 13), com

esse dado e o tempo diário de funcionamento do motor com biogás, pode-se determinar

aproximadamente a Produção Diária do Biogás ( )PDB :

BGtPDB *0073,0= (19)

65,1226*0073,0 ≅=PDB m3

Esse resultado é comprovado, medindo-se o consumo total de biogás. A Figura 31

mostra um exemplo do consumo da produção diária do biogás pelo sistema. Tem-se a medida

inicial (32,781 m3/h), quando o gasômetro atingiu sua altura máxima e a medida final (33,982

m3/h), quando o motor apresentou funcionamento irregular devido à pequena quantidade de

biogás no gasômetro. Esse pequeno volume de biogás no gasômetro deixa instável a pressão

do biogás no gasômetro, acarretando a instabilidade de funcionamento do motor. Subtraindo a

medida inicial da medida final obtém-se:

201,1781,32982,33 =−=PDB m3

Na média o sistema produz 1,45 m3 diariamente, logo o Consumo Específico de

Biogás/ Metro Cúbico de Água ( )EBGV é dado por:

PDBV

V BGEBG = (20)

56,1345,166,19

==EBGV m3 de H2O/ m3 de combustível

80

FIGURA 31 - Medidas do consumo de biogás para o período de um dia

A relação entre os volumes específicos de água bombeados pelo sistema com

gasolina e biogás mostra a equivalência energética ( )GBE entre esses dois combustíveis:

EG

EBGGB V

VE = (21)

75,018

56,13==GBE litro de gasolina/m3 de biogás.

Segundo Sganzerla (1983), a equivalência entre gasolina e o biogás dos dejetos de

bovinos é de aproximadamente 0,613 litro de gasolina, o valor em quilocalorias por metro

cúbico desse gás é de 5000. Assim, usando esses valores como parâmetros, pode-se dizer que

o poder calorífico do biogás de esterco de caprino vale aproximadamente 6117 kcal/m3. A

Tabela 15 apresenta o poder calorífico de outras fontes de energia:

81

TABELA 15 - Poder calorífico de alguns combustíveis (SGANZERLA, 1983).

Combustível Kcal/kg Kcal/litro

Gasolina comum - 8.156,6

Querosene - 7.911,0

Óleo diesel - 8.635,0

Lenha (10% de umidade) 3.250,0 -

Gás GLP (Gás de cozinha) 8.635,6 -

Fazendo-se a comparação entre o poder calorífico desses combustíveis (Tabela

15) e o poder calorífico do biogás de esterco caprino tem-se a seguinte equivalência (Tabela

16).

TABELA 16 - Equivalência energética de 1 metro cúbico de biogás de esterco caprino com outras fontes de energia.

Fonte energética 1 Metro cúbico de Biogás é igual a:

Gasolina comum 0,750 L

Querosene 0,708 L

Óleo diesel 0,677 L

Lenha (10% de umidade) 1,882 kg

Gás GLP (Gás de cozinha) 0,566 kg

Energia Elétrica 1,747 kWh

Dessa forma, 1 m3 de biogás a partir de esterco de caprino equivale a 0,75 L de

gasolina. A análise dos componentes do biogás de esterco do caprino mostrou que a

porcentagem do metano está acima da média, levando à conclusão que esse fator foi o que

determinou o maior poder calorífico e melhor rendimento energético em comparação com o

biogás do esterco bovino.

4.5 Contribuição energética do biogás para o sistema implementado

Para as condições encontradas no campo experimental, precisa-se de um volume

diário de 64,8 m3 de água para irrigar 1 hectare de pastagem. O volume de água aplicado no

campo experimental pela bomba hidráulica acionada pelo motor usando o biogás produzido

82

diariamente foi de aproximadamente 19,35 m3, esse valor representa aproximadamente 30%

de 64,8 m3, logo o biogás produzido diariamente pode substituir cerca de 30% do volume de

gasolina consumida ou energia utilizada. Embora o biodigestor não seja suficiente para a

auto-suficiência energética do sistema de irrigação, o biogás representa uma economia para o

produtor e uma contribuição à diversificação da matriz energética brasileira. O volume de

biogás obtido diariamente depende da quantidade de dejetos fornecidos pelos animais; um

manejo adequado dos animais pode aumentar essa produção de esterco e dessa maneira

aumentar a oferta de energia fornecida pelo sistema.

A importância do biogás tem uma ênfase maior, quando é feita sua equivalência

com a gasolina com a produção anual do biodigestor. A produção anual de biogás do

biodigestor alimentado com dejetos de 50 animais (caprinos) é de 531 m3, que é equivalente a

393 L de gasolina.

A energia elétrica utilizada para acionamento de moto-bombas para irrigação no

meio rural é subsidiada, o custo é ainda menor quando usada à noite. Não obstante esse

manejo traz alguns problemas, como a necessidade de um operador do sistema, trabalhando

nesse turno, determinando uma condição de trabalho inadequada para o mesmo, outro

problema é relativo à fisiologia dos vegetais e ao solo do semi-árido com baixa capacidade de

armazenamento. O consumo de água, à noite, pela planta é pequeno e o solo do semi-árido

não armazena água por muito tempo, assim essa parcela de energia produzida que não está

ligada a rede ira contribuir para aumentar a eficiência da irrigação de sistemas no semi-árido.

A região em que foi conduzido o experimento apresenta um dos maiores índices

de evapotranspiração do semi-árido, a contribuição energética para um sistema equivalente

instalado em um local que a evapotranspiração seja menor pode representar uma porcentagem

maior de energia para uma planta de um hectare. Para um local que a evapotranspiração seja

menor, o volume de água necessário para irrigar é menor que o calculado para esse sistema e

o volume de geração de biogás não sofre alteração, logo o biogás produzido diariamente pode

irrigar mais em termos percentuais.

4.6 Considerações sobre o biofertilizante de esterco caprino

A biomassa, após passar pelo biodigestor e ter desempenhado a função de

produzir o biogás, começa a ter uma aplicabilidade considerada nobre, que é fertilizar o solo

do qual depende o sucesso da produção agrícola. Diante desse fato, analisar a qualidade do

biofertilizante de origem caprina é também um objetivo desta dissertação. Esses dois novos

83

produtos (energia e fertilizante natural) do sistema produtivo de um plantel de caprinos

podem trazer melhorias à viabilidade desse tipo de arranjo produtivo. O biofertilizante,

analisado pelo Laboratório de Solo e Água da Embrapa Agroindústria Tropical, apresentou

concentrações de nitrogênio (N) 2,33%, potássio (K) 1,58% e pH 8,1 superiores aos

resultados médios encontrados por Sganzerla (1983) para biofertilizantes em geral, ou seja,

nitrogênio 1,8 %, potássio 1,0% e pH 7,5. Porém, o estudo revelou uma concentração média

de P de 0,7%, inferior à concentração de 1,6% encontrada por Sganzerla (1983).

A menor relação Carbono/Nitrogênio (C/N) foi encontrada no biofertilizante de

origem de esterco caprino, com C/N= 6. Segundo Kiehl (1985), quanto maior esta relação,

mais lenta será a decomposição do material orgânico. Por extensão, quando o resíduo

orgânico for baixo em N, os microorganismos recorrem ao N mineral do solo, evitando que

este seja absorvido pela planta, fenômeno conhecido como imobilização do N mineral do

solo, o qual pode causar um amarelecimento nas folhas e atrofiamento das plantas, sintomas

típicos da deficiência de nitrogênio. Segundo Sganzerla (1983), o pH de caráter básico dos

biofertilizantes pode funcionar como corretivo de acidez, eliminando também o alumínio e

solubilizando minerais contendo fósforo. A elevação do pH do solo retarda a multiplicação de

fungos patogênicos. A Condutividade Elétrica, através da qual pode ser determinado o teor

total de sais solúveis, foi de 3,1 mS.cm-1, o que, segundo Ballester-Olmos (1993), enquadra-se

na faixa de valores apropriados para a maioria das plantas, ou seja, de 2,0 a 3,5 mS.cm-1 .

No que se refere às concentrações dos nutrientes (NPK), o biofertilizante caprino

mostrou-se superior ao de bovino. Pode-se concluir ainda que devido à relação C/N do

biofertilizante caprino ser menor (Tabela 17) que a relação C/N do biofertilizante bubalino,

suíno e bovino, não há restrições ao seu uso quanto à imobilização do nitrogênio (FREITAS,

et al, 2006).

TABELA 17 - Composição de diversos substratos submetidos a fermentação anaeróbica

Biofertilizante N (%) P (%) K (%) U (%) pH Relação C/N

Esterco Caprino1 2,33 0,47 1,58 90 8,1 6

Esterco Bubalino2 0,26 0,14 0,09 82,95 6,7 21,85

Esterco Suíno2 3,64 3,39 3,34 97,68 5,38 13

Esterco Bovino2 2,14 1,92 2,82 81,9 6,19 23 1Dados obtidos no experimento; 2Valores reportados por Kiel (1985).

84

Segundo Pupo (1979), 1000 kg/ha de animais para cria, recria e engorda extraem

em torno de 25,8 kg/ha de N, 23,8 kg/ha de P e 6 kg/ha de K. No Estado do Ceará, para a

manutenção das pastagens, recomendam-se em torno de 50 kg/ha de N, de 15 a 30 kg/ha de P

e de 10 a 30 kg/ha de K por ano. Os teores totais destes elementos no biofertilizante de

dejetos de caprinos, segundo a análise apresentada, foram de 23,3 g/kg (2,33%) de N; 4,66

g/kg (0,47%) de P e 15,80 g/kg (1,58%) de K. Com o exposto acima, para a adubação

nitrogenada faz-se necessária à aplicação anual de 2,1 ton/ha do biofertilizante; para a

adubação fosfatada, entre 3,2 e 6,4 ton/ha e para a adubação potássica, entre 0,6 e 1,9 ton/ha.

Além dos macronutrientes, o biofertilizante apresentou ainda micronutrientes como cobre

(Cu), ferro (Fe), manganês (Mn) e zinco (Zn). O rebanho de caprinos (50 animais) produz

aproximadamente 10 ton/ano de dejetos, logo pode-se concluir que o biofertilizante se

constitui em fonte de reposição dos nutrientes extraídos do solo. Assim, o biofertilizante

também representa economia para o produtor, que deixa de comprar fertilizantes químicos e

passa a usar um produto natural com poder de recuperação do solo.

A equivalência entre alguns produtos comerciais (fertilizantes) com os produtos

obtidos a partir de biodigestor de processamento de detritos de origem caprina é mostrada na

Tabela 18. Essa tabela representa a produção anual de um biodigestor alimentado com dejetos

de 50 animais em criação semi-extensiva.

TABELA 18 - Equivalência anual de produtos do biodigestor com produtos comerciais

Produto Produção Produção Anual (50 caprinos) Equivalência

Nitrogêni

o

23,3 (g/kg) 238 kg 515 kg de uréia

P2O5 4,66 (g/kg) 47,6 kg 264 kg de

superfosfato simples

K2O 15,8 (g/kg) 161,4 kg 269 kg de cloreto de

potássio

4.7 Análise financeira

Em decorrência do fato da presente pesquisa ter se realizado em um ambiente

acadêmico, no caso a Fazenda Experimental Vale do Curu (FEVC), algumas condições foram

observadas as quais não ocorrem em pequenas unidades agrícolas.

85

Dessa forma, visando reproduzir de forma mais real possível, as condições

encontradas numa unidade agrícola de produção familiar, foi estabelecida na presente análise

a existência de uma infra-estrutura preexistente nessa unidade antes da construção do

biodigestor. Essa infra-estrutura é composta por um sistema de irrigação, cerca elétrica,

abrigo dos caprinos e adutora para abastecimento de água.

Assim, a presente análise financeira concentra a avaliação nos impactos

financeiros introduzidos pela instalação do biodigestor na unidade agrícola. Esses impactos

são verificados através da produção do biogás e do biofertilizante.

4.7.1 Investimento

Para a construção do biodigestor foram registradas as despesas listadas na Tabela

19. Todos os valores são referentes a outubro de 2005.

TABELA 19 - Despesas para construção do biodigestor

Item Valor (R$)

Cimento 380,00

Tijolo 105,00

Caixa d’água (5.000 L) + transporte 1.020,00

Tubos, flange 182,00

Madeira 289,00

Mão-de-obra 1.301,00

Total 3.277,00

Enfatizando a necessidade de reproduzir da maneira mais realista possível os

custos a serem enfrentados por um pequeno produtor rural, foi acrescentado na presente

análise o custo do transporte do reservatório de 5.000 litros de Fortaleza para Pentecoste,

estimado em R$ 120,00. Dessa forma, as despesas totais para construção do biodigestor

somam R$ 3.397,00. Considerou-se que a despesa para construção do biodigestor foi paga

com recursos próprios do proprietário rural.

86

4.7.2 Custos de operação e manutenção

Para efeito de manutenção do biodigestor foi admitido um valor de 10% do

investimento inicial (R$ 328,00) a cada 5 anos; foi admitida uma vida útil de 10 anos para o

biodigestor.

Para o serviço de operação e manutenção do biodigestor (limpeza, transporte e

manuseio do esterco animal) foi considerado o pagamento de 1 (um) trabalhador por 1/8

expediente (1 hora / dia), o que significa o pagamento de 1/8 de diária para o trabalhador.

Desta forma, para o período de 1 (um) ano, o custo da mão-de-obra é dado por:

00,450$00,300$8112 RRmeses =××

Para o ano zero da análise financeira é descontado o pagamento de mão-de-obra

referente a dois meses, tempo considerado necessário para instalação do biodigestor. Por

conseguinte, o valor da mão-de-obra para o ano zero é de R$ 375,00.

A água necessária para a operação do biodigestor é relativamente pouca e é

considerada já existente na unidade agrícola. Dessa forma, o custo da água para o biodigestor

foi considerado insignificante, sendo desprezado na presente análise.

4.7.3 Receitas

Foi considerado na análise que os dejetos dos caprinos eram utilizados na

adubação orgânica da plantação antes da instalação do biodigestor. No entanto, considerando

o alto valor nutriente do biofertilizante e que o mesmo está em condições de substituir com

vantagens o uso de fertilizante convencional para manutenção da pastagem, é admitido que

parte do biofertilizante é comercializado. A receita advinda com esta venda é estimada em R$

111,00 / ano. Este valor representa 1/3 do custo do fertilizante convencional necessário para a

plantação, estimado em R$ 334,00 / ano. Para o ano zero da análise financeira é descontada a

receita referente a dois meses, tempo considerado necessário para instalação do biodigestor.

Dessa maneira, o valor da receita para o ano zero é de R$ 92,50.

Sem uso do biogás, o volume de gasolina necessário por dia para irrigação de 1

(um) hectare é de 3,6 L; como visto, a partir dos dados levantados, o biogás produzido pode

substituir cerca de 30% do volume de gasolina consumido para a irrigação de 1 (um) hectare.

Adicionalmente, é considerado que durante o período chuvoso no Ceará, em média de

duração de 4 meses, o consumo de gasolina para irrigação é reduzido, sendo este volume

87

substituído integralmente pelo biogás. Desta forma, o biogás para fins de irrigação é utilizado

12 meses por ano. Ao final de 1 ano, a receita com a introdução do biogás é dada pela

equação (considerando 1 L de gasolina custando R$ 2,50):

00,972$5,2$6,33,03012 Rl

Rdialdiasmeses =××××

Para o ano zero da análise financeira é descontada a receita referente a dois meses,

tempo considerado necessário para instalação do biodigestor. Desta forma, o valor da receita

para o ano zero é de R$ 810,00.

Para a análise financeira foram utilizados os seguintes parâmetros: relação

benefício custo ( )CB / , o valor presente líquido ( )VPL e a taxa interna de retorno ( )TIR que

representa o valor da taxa de desconto para um VPL igual a zero (BUARQUE, 1991).

( ; ; )/

( ; . )VPL receita i n

B CVPL custos i n

= ∑∑

(22)

∑= +

=n

jjj

ivalor

VPL1 )1(

(23)

Para uma taxa de desconto de 10%, a relação benefício custo (B/C) encontrada foi

de 1,14, o valor presente líquido (VPL) de R$ 936,35 e a taxa interna de retorno (TIR) de

17,50. Somente a partir de uma taxa de desconto de 18%, o investimento passa a ser inviável.

A análise de sensibilidade realizada revelou que o investimento continua viável

para as seguintes condições:

Redução das receitas em 5% e custos normais;

Receitas normais e aumento dos custos em 5%;

Redução das receitas em 10% e custos normais;

Receitas normais e aumento dos custos em 10%.

O investimento passa a ser inviável do ponto de vista financeiro para as seguintes

condições:

Receitas normais e aumento dos custos em 20%;

88

Redução das receitas em 10% e aumento dos custos em 10%.


A metodologia utilizada no campo experimental determinou que 1 m3 de biogás a

partir de esterco de caprino equivale a 0,75 L de gasolina. Para a irrigação de 1 (um) hectare,

com base nos dados levantados, o biogás produzido pode substituir cerca de 30% da energia

consumida no sistema. Sabendo a relação de equivalência entre gasolina e biogás de dejetos

de caprinos, pode-se chegar ao valor energético do m3 de biogás em termos de energia

elétrica, que é de 1,747 kWh.

No que se refere às concentrações dos nutrientes (NPK), o biofertilizante caprino

mostrou-se superior ao de bovino. Pode-se concluir ainda que devido à relação C/N do

biofertilizante caprino ser menor que a relação C/N do biofertilizante bubalino, suíno e

bovino, não há restrições ao seu uso quanto à imobilização do nitrogênio.

A avaliação financeira realizada revelou que o investimento é viável para redução

de receitas em 10% e mantendo os custos, outra possibilidade de manutenção da viabilidade é

não haver alteração nas receitas e aumento de 10% nos custos.

5. ANÁLISE DO BIODIGESTOR COM A FERRAMENTA GDER

5.1 Introdução

A elevação crescente dos preços dos energéticos torna extremamente cara a

utilização de combustíveis líquidos de natureza fóssil nas regiões rurais. A utilização de

energia elétrica no meio rural também enfrenta problemas, especificamente em países como o

Brasil, onde as distâncias são muito grandes, fazendo com que os preços dos materiais como o

cobre e o alumínio elevem sobremaneira o investimento das redes de eletrificação

(CARIOCA & ARORA, 1984), (COSTA et al., 2000). Outra questão importante é a

manutenção corretiva da rede elétrica, que também aumenta o custo operacional dessa, em

regiões remotas (CARVALHO et al., 2007). Contudo, a proximidade do território brasileiro

da linha do Equador, região de alta produção de biomassa e de vocação pecuária e a agrícola,

abre as possibilidades de complementação desta matriz energética com a produção de biogás

a partir de biomassa originada de detritos agropecuários para energizar o meio rural brasileiro.

5.2 Aplicação da ferramenta GDER

O semi-árido nordestino devido à característica dos seus rios (intermitentes), não

permite a construção de grandes barragens que forneçam uma alta vazão durante todo o ano

para produção de energia elétrica, o rio São Francisco é uma exceção. No entanto, fontes

alternativas de energia como a eólica, solar e biomassa são abundantes nessa região. Escolher

a energia de fonte renovável mais apropriada para utilização no meio rural do semi-árido

nordestino é um desafio. Segundo Borges Neto (2007) a ferramenta de cálculo GDER é uma

ferramenta de auxilio à tomada de decisão quanto ao tipo de fornecimento de energia mais

apropriado a uma comunidade não eletrificada no meio rural (ou isoladas), usando como

referencial a realidade brasileira. Baixo custo, facilidade de operação, geração descentralizada por

meio de tecnologias convencionais e de energias renováveis e adequação ao contexto brasileiro

são algumas das características dessa ferramenta.

Para utilizar a ferramenta de GDER foi necessário entrar com dados característicos da

planta utilizada como fonte de dados desta dissertação (Figura 32). A potência do motor elétrico

que pode ser utilizado para irrigar um hectare de pastagem com as características do local do

projeto é de 3,7 kW. Esse motor foi acionado por um conjunto motor/gerador funcionando no

modo autônomo.

90

FIGURA 32 - Dados de entrada da ferramenta GDER para Pentecostes – Ce

91

À distância da rede elétrica ao sistema é de 4 km e o salário mínimo vigente em vigor

no país (SM vigente (R$ 350,00)) na época de coleta de dados, são exemplos de parâmetros de

entrada da ferramenta GDER. Além desses dados, o valor do metro cúbico do biofertilizante (R$

1,00), tempo de funcionamento diário da carga (5 h/dia) e número de animais utilizados (50

caprinos) foram outros parâmetros utilizados na ferramenta. Para a energia eólica, além dos dados

de entrada mostrados na Figura 32, precisa-se do valor médio de velocidade do vento da região

(Figura 33). Essa média foi feita com dados de uma estação meteorológica instalada pela

Fundação Cearense de Pesquisa Meteorológica em Pentecoste (FUNCEME), sendo a

velocidade média anual do vento de 3,38 m/s.

FIGURA 33 - Dados de entrada de velocidade do vento da ferramenta GDER

O dimensionamento dos painéis fotovoltaicos (FV) pela planilha GDER utiliza o

número de horas de sol pleno do local da planta. O número de horas de sol pleno é o tempo em

horas que a radiação solar deve permanecer constante e igual a 1 kW/m² de forma que a energia

resultante seja equivalente à energia solar acumulada para o dia e o local em questão. A latitude é

de 3°S e a longitude é de 39ºW (Figura 9), usando esses dados, calculou-se o número de horas de

sol pleno por intermédio do programa Sundata, desenvolvido pelo Centro de Referência para

Energia Solar e Eólica Sérgio de Salvo Brito (CRESESB, 2008).

A Figura 34 mostra o resultado do calculo da ferramenta para o custo em reais do

kWh e a relação benefício/custo para cada planta. O custo do kWh para o fornecimento de

energia elétrica usando biogás é de R$ 1,72. Este valor é maior que o valor calculado para o

fornecimento de energia com o gerador diesel (R$ 1,149/kWh). No entanto a relação

benefício/custo (0,080) da planta que usa biogás é maior que a relação benefício/custo da

unidade de fornecimento elétrico com o diesel (0,069). Essa característica é devida a dois

fatores. O primeiro é a possibilidade de venda do biofertilizante produzido pela planta que usa

o biogás. O segundo é a necessidade de compra permanente do diesel para abastecimento do

gerador dessa modalidade de fornecimento.

92

FIGURA 34 - Resultado do cálculo da ferramenta GDER com dados de entrada

adquiridos em Pentecostes - CE

O custo do kWh para a energia eólica foi o que apresentou maior valor, devido

principalmente à média da velocidade do vento no local avaliado. Durante o dia ocorrem

momentos que a velocidade do vento é superior a 6 m/s. No entanto na maior parte do dia o

gerador eólico fica ocioso, devido à baixa velocidade do vento (Figura 35). A Figura 35

apresenta a distribuição de freqüência da velocidade do vento ao longo de 2005, o eixo y

apresenta o número de ocorrências do valor da velocidade do vento, o número total de

ocorrências coletadas foi de 8640, que é aproximadamente o número de horas em um ano. O

eixo x é a velocidade do vento em metros por segundo e o segundo eixo y representa a

porcentagem da probabilidade de ocorrência da velocidade do vento ser menor que a

apresentada no eixo x. A velocidade do vento de 7 m/s ocorreu 595 vezes no ano de 2005 e a

possibilidade dessa velocidade ser menor que 7 m/s é de 95% e a possibilidade de ser maior

que 7 m/s é de 5%. Avaliando-se os gráficos da Figura 35 e 36, pode-se dizer que em 4.329

horas durante o ano a velocidade do vento menor ou igual a 4 m/s deixou a potência de saída

do gerador eólico em zero ou a valores abaixo de 100 W. Para esse local específico, essa

condição intermitente da velocidade do vento deixa a relação benefício/custo muito baixa em

93

relação às outras fontes de energia, levando a média anual da velocidade do vento para 3,38

m/s .

FIGURA 35 - Distribuição de freqüência da velocidade vento ao longo de 2005 e

probabilidade da velocidade do vento ser menor que a indicada

A Figura 36 representa a curva de potência de um gerador eólico de 1 kW, as

características desse gerador foi utilizado pela ferramenta GDER para fazer o cálculo do custo

do kWh através da modalidade de fornecimento de energia eólica. Com uma velocidade do

vento abaixo de 4 m/s a potencia elétrica fornecida pelo gerador é aproximadamente zero.

Além da baixa velocidade anual do vento, a inviabilidade do sistema eólico pode ser atribuído

ao tipo de gerador utilizado pela ferramenta GDER devido a tecnologia disponível

atualmente.

Os custos da eletricidade gerada através da rede elétrica e dos painéis FV são

praticamente equivalentes e estão muito abaixo do aerogerador que é de 254,3 % do gerador

diesel e 169,6 % da planta de geração com biogás. A planta FV apresenta um custo um pouco

maior que a instalação da rede elétrica, levando a concluir que haverá equivalência no custo

dessas duas fontes, quando houver plantas com uma distância maior ou igual a 4,4 km da rede

elétrica da concessionária (Figura 37) ou mesmo uma redução no custo do painel solar

fotovoltaico.

94

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

Velocidade do vento (m/s)

Potê

ncia

(W)

FIGURA 36 - Curva de potência do gerador Enersud (ENERSUD, 2005)

FIGURA 37 - Resultado do custo do kWh da rede elétrica para uma distância de 4,4 km

95

Embora o custo de utilização do diesel seja menor (Figura 37), a relação

benefício/custo do biogás para esse caso é maior, mostrando que a viabilidade do uso do

biogás para produzir energia elétrica em uma planta isolada no semi-árido nordestino é a mais

recomendável financeiramente.

Conforme já visto na Figura 34 o benefício/custo do gerador com biogás de 0,080

para o m3 do biofertilizante com preço a R$ 1,00, aumentando o preço do m3 do

biofertilizante para R$ 2,00 o benefício/custo chega a 0,116 (Figura 38), logo um dos

parâmetros que influencia na relação benefício/custo é o preço do biofertilizante.

FIGURA 38 - Resultado do cálculo do custo com o m3 do biofertilizante a R$ 2,00.

Para uma umidade do biofertilizante de 90%, 1 m2 desse resíduo pesa

aproximadamente 310 kg. Na região Nordeste um produto equivalente ao biofertilizante é o

húmus de minhoca. Com base em dados obtidos no comércio de Fortaleza, o preço por quilo

desse produto no nível de produtor é R$ 1,00. Assim, avaliando o preço do m3 do

biofertilizante em função do preço do húmus de minhoca, o valor pode chegar a R$ 310,00

por m3 de biofertilizante. Como visto na Figura 32, há a possibilidade de inserir o custo do

biofertilizante na planilha de cálculo. Usando esse valor, o custo do kWh é zerado (Figura

39). O preço do KWh é tão baixo que seu valor está abaixo do nível de precisão adotado pela

ferramenta GDER.

96

Outra forma de se avaliar o preço do biofetilizante é fazer a equivalência desse

com fertilizantes químicos. A Uréia é um fertilizante usado como fonte de Nitrogênio. Para

310 Kg de biofertilizante obtemos 7,2 kg de Nitrogênio o que representa 15,64 kg de Uréia.

Pelo exposto, o valor do m3 do biofertilizante chega a no mínimo R$ 7,82, pois o valor do kg

de Uréia é em torno de R$ 0,50 e o biofertilizante tem na sua composição elementos básicos

de outros fertilizantes. Nesse caso, o custo do kWh é de no máximo R$ 1,29.

FIGURA 39 - Resultado de custos para estimativa de preço do biofertilizante

equivalente ao preço do húmus de minhoca (R$ 310,00/m3).

A relação benéfico/custo da Figura 34 apresenta valores abaixo de 1 (um) para

todas as modalidades de fornecimento, indicando que todas são inviáveis, no entanto esse fato

é devido ao valor do kWh usado como dado de entrada na planilha (R$ 0,08). Se adotarmos

um valor de R$ 2,691 (valor do kWh com a rede elétrica a 4 km da planta) para o kWh como

dado de entrada, a relação benefício/custo do biogás e do diesel apresenta valores maiores do

que 1 (um), portanto economicamente viável. O gráfico da Figura 40 apresenta os resultados

do cálculo usando o valor de R$ 2,691 para o kWh.

97

FIGURA 40 - Resultado do cálculo da ferramenta GDER usando o valor de R$

2,691 para o kWh (dado de entrada).


A ferramenta GDER serve como um guia para identificar a viabilidade de projetos

que usam fontes alternativas de energia, usando dados técnicos de fácil acesso, e assim

possibilitando a identificação de oportunidades para o desenvolvimento energético em

comunidades do meio rural. A ferramenta GDER mostrou que a produção de energia elétrica

aliada ao aproveitamento do biofertilizante reduz os custos de instalação e manutenção no

sistema produtivo abordado nesse estudo, viabilizando sua implementação. Essa redução de

custos deixa a planta que usa biogás como fonte de energia mais viável financeiramente que

outras modalidades de fornecimento de energia como: rede elétrica, diesel, eólica e FV para

as condições desse campo experimental. Segundo cálculos da ferramenta GDER, o custo do

kWh para o preço do m3 do biofertilizante a R$ 1,00 é de R$ 1,72, para um valor do m3 a R$

7,82 o kWh é de R$ 1,29, e finalmente quando o preço do m3 de biofertilizante é comparado

ao húmus de minhoca, o preço do kWh é tão baixo que seu valor está abaixo do nível de

precisão adotado pela ferramenta GDER.

6. CONCLUSÃO

A equivalência energética do biogás de dejetos de caprinos e a gasolina é de

aproximadamente 750 mL/m3 de biogás. Usando o esterco produzido durante o período

noturno (8 horas) no aprisco pode-se dispor de 30% da energia necessária para irrigar um

hectare de pastagem nas condições encontradas no local de estudo. Usando esses detritos a

produção anual de um biodigestor alimentado com dejetos de 50 animais em criação semi-

extensiva de biogás e biofertilizante são equivalentes a 393 litros de gasolina e 515 kg de

Uréia, respectivamente.

O modelo de cálculo seguido nesta dissertação para projetar o biodigestor, foi

baseado em projeto de biodigestor de esterco bovino. Ao longo da operação do sistema

observou-se a peculiaridade do esterco caprino, logo esta dissertação esclarece dúvidas na

hora de projetar o biodigestor para os dejetos dos caprinos. Por exemplo: tempo de retenção

hidráulica para esterco caprino, relação entre volume de água e dejetos dos animais e

produção diária dos dejetos dos animais.

Para usar o biogás dos dejetos de caprinos em motores de combustão interna,

deve-se pré-aquecer o biogás para se obter a ignição, pois se esse procedimento não for

realizado, o motor não vai funcionar a contento.

É necessário quebrar ou amassar as cíbalas excretadas pelos caprinos para obter a

produção de biogás relatada na presente dissertação. Quebrar e amassar os dejetos também

vai evitar procedimentos precoces de manutenção corretiva para retirar uma camada formada

por cíbalas não processadas do interior do gasômetro.

Os equipamentos encontrados comercialmente na época não contemplavam as

necessidades técnicas para pequenos produtores que queiram usar a tecnologia. Foi necessário

o desenvolvimento de protótipos de peças para adequar parcialmente os aparelhos usados no

projeto. Atualmente no Brasil há fabricantes produzindo motores que usa biogás como

combustível, mas é um modelo restrito a uma só potência (11 kW). Há necessidade de

adequação da indústria brasileira.

A ferramenta GDER mostrou que a produção de energia elétrica aliada ao

aproveitamento do biofertilizante reduz os custos do kWh, o que viabiliza a implementação de

planta de conversão de energia da biomassa em energia elétrica. Essa redução de custos deixa

a planta que usa biogás como fonte de energia mais viável financeiramente que outras

modalidades de fornecimento de energia elétrica como: rede elétrica, diesel, eólica e FV para

99

as condições desse campo experimental. Segundo cálculos da ferramenta GDER, o custo do

kWh para o preço do m3 do biofertilizante a R$ 1,00 é de R$ 1,72, para um valor do m3 a R$

7,82 o KWh é de R$ 1,29, e finalmente quando o preço do m3 de biofertilizante é comparado

ao húmus de minhoca (R$ 310,00 /m3), o preço do kWh é tão baixo que seu valor está abaixo

do nível de precisão adotado pela ferramenta GDER.

No caso de resíduos sólidos com carga orgânica, a sua destinação pode gerar

formação de Gases do Efeito Estufa (GEE) devido a sua estocagem final, o que é o caso da

biomassa de dejetos dos caprinos. Com a ratificação do Protocolo de Kioto e a criação do

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo (MDL), que visam diminuir a geração de GEE, via

financiamento de projetos de geração não poluentes, um maior incentivo foi dado para buscar

soluções adequadas para resíduos orgânicos, o que favorece a implantação de projetos com o

objetivo de reduzir emissões, pois esses podem ser transformados em projetos de MDL. A

transformação de emissões de GEE em projetos de MDL, por meio da redução dessas

emissões, é possível a partir do atendimento das regras estabelecidas no Artigo 12 do

Protocolo de Kioto (CGEE, 2008). Segundo o site Canal Energia, em 2006 o Aterro dos

Bandeirantes (São Paulo – SP) assinou um contrato de venda de certificados de um milhão

toneladas de carbono com o banco alemão KFW, a renda desse acordo é aproximadamente de

24 milhões de euros. O biogás produzido no local é usado para gerar energia elétrica em uma

térmica de 20 MW. Diante do exposto, pode-se ter uma alternativa de financiamento para

projetos que façam a difusão da tecnologia avaliada nesta dissertação.

Segundo Bhattacharya (2004) a porcentagem do uso como combustível da

biomassa tradicional (queima de madeira) em relação a energia total utilizada no Brasil no

ano de 1980 foi de 35,5% e no ano de 1997 foi de 28,7%. Aparentemente esse fato determina

uma queda percentual do consumo da lenha como combustível, no entanto o mesmo autor

estimou um aumento de 15% no consumo desse combustível no período de 1980 a 1998.

Buscar um combustível alternativo para exercer o papel da lenha no meio rural é necessário.

O biogás tem nesse caso papel fundamental, pois pode substituir o uso da lenha, preservando

a vegetação nativa.

O rebanho de caprinos de pequenos produtores geralmente não chega a 10

cabeças por produtor, essa característica é fator limitante no momento da comercialização da

produção, pois uma pequena produção inviabiliza o transporte devido ao preço do frete. Nesse

caso, dois caminhos podem ser adotados pelo pequeno produtor. O primeiro é utilizar o

biofertilizante e biogás na sua propriedade. A outra alternativa de viabilizar a implementação

100

de biodigestores é a criação de associações entre produtores, com o fim de compartilhar entre

os membros custos em geral com: instalações, manutenção, operação e transporte,

melhorando assim o poder de venda do produto

No momento atual os biocombustíveis têm relevância no contexto energético

mundial, no entanto a produção de alguns desses biocombustíveis é questionada devido ao

impacto gerado na produção de alimentos. A proposta de unidade de produção de energia

desta dissertação demonstra que é possível produzir energia sem comprometer a produção de

alimentos.

E finalmente, a exemplo do biodiesel, subsídios aplicados a programas de

produção de biogás e biofertilizante no meio rural podem diminuir os custos do êxodo rural

para as grandes cidades.

101

7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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http://www.weg.net/br/Produtos-e-Servicos/Motores�

107

APÊNDICE A - Trabalhos Publicados Durante a Realização do Mestrado

1. CANAFISTULA, F. J. F. , CARVALHO, P. C. M. Avaliação da equivalência

energética do biogás de esterco de caprinos. In: AGRENER GD 2008 - 7º

108

Congresso Internacional sobre Geração Distribuida e Energia no Meio Rural, 2008,

Fortaleza. AGRENER GD 2008, 2008.

2. CARVALHO, P. M., CANAFISTULA, F. J. F., BORGES NETO, M. R. Biodigestor

adaptado ao semi-árido nordestino: resultados e conclusões. In: II Congresso

Brasileiro de Energia Solar e III Conferencia Regional Latino-Americana da ISES,

2008, Florianopolis.

3. FREITAS, C. A. S. , CANAFISTULA, F. J. F. , TEIXEIRA, A. S., CARVALHO, P.

C. M., AQUINO, B. F. A. Análise comparativa de biofertilizante de origem

caprina. In: XXXV Congresso Brasileiro de Engenharia Agrícola, 2006, João Pessoa.

Congresso Brasileiro de Engenharia Agrícola, 2006.

4. CANAFISTULA, F. J. F. , CARVALHO, P. C. M., SILVEIRA NETO, J. W., DINIZ,

M. M. N. Biodigestor para validação de sistema produtivo auto-sustentável no

semi-árido. In: 5o Encontro de Energia no Meio Rural e Geração Distribuída, 2004,

Campinas, 2004.

5. CANAFISTULA, F. J. F., TEIXEIRA, A.S., CARVALHO, P. C. M., ANDRADE, E.

M. Avaliação de produtos do processo de biodigestão anaeróbica de dejetos da

caprinocultura. In: I Congresso Cearence de Agroecologia, 2008, Fortaleza. I

Congresso Cearence de Agroecologia. Fortaleza, 2008.

6. CANAFISTULA, F. J. F., TEIXEIRA, A. S., RIBEIRO, R. S. F., GONDIM, R. S.,

MIRANDA, F. R. Controle de Malha Fechada para Irrigação de Precisão. In: XV

Congresso Nacional de Irrigação e Drenagem, 2005, Teresina. Anais do XV

CONIRD. Teresina : ABID, 2005., 2005. v. v. 1.

7. CARVALHO, P. C. M., SOUZA, C. L., VIEIRA, J. M. A., TEIXEIRA, A. S.,

CANAFISTULA, F. J. F. Photovoltaic Powered Data Acquisition Systems in Semi-

Arid Areas. In: Rio 5 - World Climate & Energy Event, 2005, Rio de Janeiro.

Proceedings of the Rio 5 - World Climate & Energy Event, 2005. p. 237-242.

109

APÊNDICE B - ANÁLISE BIOFERTILIZANTE DE ESTERCO CAPRINO

Determinação Extrator/Digestor Técnica analítica

Resultad

o Unidade

(pH) - Potencial Sem Extrator Potenciometria 8,1

110

Hidrogeniônico

(Ca) - Cálcio Nitroperclorico Espectrofotometria 40,6 g/kg

(CORG) - Carbono Orgânico Sem Extrator Calcinação 132,00 g/kg

(Cu) - Cobre Nitroperclorico Espectrofotometria 27,00 mg/kg

(Fe) - Ferro Nitroperclorico Espectrofotometria 2232,00 mg/kg

(K) - Potássio Nitroperclorico Espectrofotometria 15,80 g/kg

(Mg) - Magnésio Nitroperclorico Espectrofotometria 11,50 g/kg

(Mn) - Maganês Nitroperclorico Espectrofotometria 397,80 mg/kg

(N) - Nitrogênio Sem Extrator Titulometria 23,30 g/kg

(Na) -Sódio Nitroperclorico Espectrofotometria 0,42 g/kg

(P) - Fósforo Nitroperclorico Calorimetria 4,66 g/kg

(C/N) - Relação C/N Sem Extrator Cálculo 6

Umidade Sem Extrator Gravimetria 90 %

(Zn) - Zinco Nitroperclorico Espectrometria 143,40 mg/kg

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